辛置矿下组煤开采地下水隐患分析与防治对策

姚建伟，牛伟峰，王克勤，齐跃明

(1. 霍州煤电集团有限责任公司 辛置矿，山西 霍州 031400； 2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

我国煤炭资源储备丰富，长期以来煤炭一直是我国的主要能源，随着煤炭浅部资源的日渐枯竭，煤炭开采也逐渐向深部延伸，伴随而来的将是高温、高地应力、高渗透水压和重复采动引起的扰动问题。在水害探查和防范上，前人做了大量的研究工作。在顶板突水理论方面主要有“上三带”理论[1]、顶板隔水关键层理论[2]、采动薄基岩破断机理等[3]；底板突水理论方面有突水系数法[4]、“下三带”理论[5]、关键层理论等[6]；齐跃明等通过分析突水点附近的背景场以及对突水危险性的评估，改善了以往突水过程认识和利用的不足，通过疏放实验为分析突水原因、解决突水事故提供重要依据[7]；李云峰等为了防止和减少水害事故，安全开采 1034 工作面，采用井下钻探的方法，设计施工了防治水工程。通过分析、总结防治水工程，查明了工作面区域“四含”不发育，富水性弱，浅部缺失，对工作面回采无影响[8]；刘少伟等在研究东滩矿六采区煤层顶板富水程度时，运用AHP-FCM(即层次权重模糊聚类分析法)进行研究，得到了采区水性强弱示意图，在对富水性评价时加入了煤层顶板埋深因素，将重力对裂隙的影响纳入了分析范畴[9]；杨振华等采用矿井瞬变电磁法探测技术对白家庄煤矿36810工作面顶板进行了富水性探测[10]. 上述研究成果为解决煤矿水患问题提供了理论和实践指导。

1 矿井概况

辛置矿是霍州煤电集团有限责任公司主力矿井之一，井田位于山西省南部临汾市北缘，霍州市境内，覆盖辛置镇、陶唐峪乡、赵城镇、兴唐寺乡的一部分，处于霍西煤田中部，霍州矿区东南，行政区划隶属于霍州市管辖。井田形状呈不规则多边形，东西长约11.505 km，南北宽约11.500 km，井田面积59.083 4 km2. 该矿核定生产能力280万t/a，现生产区域为东区+540 m水平和南区+310 m水平。采用平硐、立井和暗斜井综合开拓方式，矿井现开采2#、10#、11#煤层。

2 地下水隐患类型与特征

2.1 顶板水

10#煤顶板充水水源主要是石炭系太原组灰岩水，太原组含水层富水性不均一，总体弱-中等，局部强。结合水文地质资料和现场观测可知：10#煤顶板太原组灰岩含水层以渗水(或淋水)的形式进入井下工作面，由于煤层顶板以上含水层静储量已被释放，补给主要为渗流补给，水量相对不大。但部分区域例外，比如东四采区，在开采10#煤过程中，掘进工作面最大涌水量可达150 m3/h以上，曾经发生顶板突水，突水量达350 m3/h，部分区域顶板的突水威胁还是比较大的。

2.2 老空水

在辛置井田范围及周边存在29个矿井，其中部分距离矿井巷道很近，因小煤矿开采不规范，埋藏浅，易接受地表水补给，开采区内推测有积水，但积水位置、范围、水量目前技术设备尚无法查清，在无稳定隔水层的情况下，因构造沟通往往导致老空积水进入巷道，造成矿井充水或淹井，对煤层的开采造成威胁。但是由于周边煤矿主要开采2#煤层，通过规范计算，下组煤开采产生的导水裂缝带最大高度为61.5 m，小于2#煤与10#煤之间间距(约80 m)，这说明，正常情况下，10#煤采动所产生的导水裂缝带在井田大部区域不会沟通2#煤层采空区，老空水影响较小。但是要注意一些特别情况，比如局部的较大断层错动，可能使2#、10#煤层间距小于导水裂缝带高度，威胁10#煤层采掘安全。

而对于11#煤层的开采来说，10#煤层采空积水对其影响较大，以10#煤层10-401工作面采空区积水为例，井田北东部11-401工作面上方10-401工作面采空区有1块积水区，积水面积26 806 m2，积水量34 847 m3. 由于10#、11#煤平均间距仅有10.5 m左右，所以，在开采11#时，需把该采空区积水转移储存到其它工作面或排到地面水处理站处理，达标排放。

2.3 底板奥灰承压水

底板水主要隐患为奥陶系灰岩水，对于矿井下组煤而言，全区属于带压状态，因此结合矿井煤层底板带压开采分区划分结果和辛置矿实际生产条件，对井田10#、11#煤层带压开采危险性进行了分区划分。划分标准见表1.

表1 辛置煤矿奥灰突水危险性分区表

根据表1矿区突水危险性分区指标，利用钻孔等实际资料，经过计算得到10#煤和11#煤的奥灰带压开采分区图，见图1，图2.

图1 10#煤层奥灰带压开采分区图

图2 11#煤层奥灰带压开采分区图

3 防治对策

1) 井下超前探放水。

采区内11#煤层上方有10#煤采空积水，10#煤层上方有2#煤层采空积水，且10#煤层顶板局部富水性强，而且下组煤开采受太灰、奥灰水影响，区内也有断层和陷落柱发育，为了消除这些隐患，按规定进行探放水，既可以探测顶板富水性为排水做准备，也可以有效地避免采空区积水造成的突水事故。

2) 留设防隔水煤(岩)柱。

10#煤、11#煤开采过程中都存在着断层和陷落柱等导水通道，因此经过超前探查，对导水、富水且不易进行疏放水的断层、陷落柱、封孔情况不明的旧钻孔(水文观测孔、注浆孔和电缆孔等)等留设防隔水煤柱，防止因为导水通道的原因导致奥灰水对矿井生产造成威胁。

3) 注浆加固、封堵。

断层和陷落柱是下组煤顶板太灰、奥灰突水的主要通道，在富水性较好地段对于断层及小型陷落柱或底板薄弱处，确认安全后通过局部预注浆加固和配合一定的疏干工程消除突水隐患，保证正常开采。在巷道掘进过程中，为了减少井巷工程涌水量，对于已经穿越含水层的井巷，如10#煤层开采时顶板灰岩含水层涌水量较大时，可进行壁后注浆。对于底板薄弱区，可通过注浆加固、人为增加底板隔水层厚度等方式实现安全开采。工作面采煤结束后，对于已经失去使用价值而关闭的疏水降压钻孔，应进行注浆封闭。

4) 完善井下排水系统。

10#煤层开采时，顶板水一般在煤层底板标高最低处汇集，严重恶化生产环境，增加排水压力。10-423工作面底板标高335 m，10#煤层生产最低处，汇水量可能增大，且随着生产区向南部延伸，煤层底板奥灰水突水危险性增大，应配备或增设适宜的排水设备，以防突水的威胁，保证生产的进行。

4 结 论

通过对辛置矿地质、水文地质特征进行分析和研究，结合煤矿钻孔资料，确定了矿区下组煤地下水隐患类型和特征，并制定了相应的防治对策：

1) 下组煤地下水隐患类型主要有：顶板水、老空水和底板奥灰承压水。顶板水患主要是太原组灰岩水，其富水性总体弱-中、局部强的特点决定了不同区域顶板的涌水量不同，可以通过增加排水设施，提高排水能力来解决。

2) 周边煤矿主要开采2#煤层，采空区的积水对下组煤的安全生产影响一般不大。矿井自掘的废弃老空积水是煤矿开采的隐患，2#煤是10#煤的隐患，10#煤是11#煤的隐患，可以通过探放水，完善井下排水系统等措施来解决。

3) 下组煤由于临近底板奥灰水，需以带压形式进行开采，根据分区可以看出：10#煤开采在整个矿区北中部属于较安全区，中南部属于中等危险区，整体开采条件比较好；11#煤开采在整个矿区北部属于较安全区，中部属于中等危险区，南部属于危险区，开采条件相对差一些。为了防止断层、陷落柱或底板采动破坏带导致的突水，可以在断层及陷落柱或底板薄弱处进行注浆加固、人为增加底板隔水层厚度等方式保证矿井安全生产。