矿井老空区和奥灰突水的安全评价及防治措施

王晓飞，王佳佳

（冀中能源邢矿集团 山西冀中正行煤业，山西 左权032600）

1 概 况

山西汾西瑞泰井矿正行煤业有限公司矿区面积10.469 1 km2，新增矿区面积0.004 2 km2，批准开采14、15号煤层，兼并重组整合后矿井生产能力3.0 Mt/a，净增生产能力2.46 Mt/a。井田总体划分为3个盘区，设计工作面28个，整合前小窑开采破坏严重，造成大面积老空积水，在一盘区已形成3个大面积采空区，估算积水近40万m3，三盘区已基本形成系统，但四周受为老空积水威胁较为严重。井田内奥灰水水位标高为797—825 m，15号煤层底板标高约为770—1 260 m，15号煤层在井田西北部局部为奥灰水带压开采，东南部三盘区。带压区内15号煤层最大突水系数为0.005 4 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，属带压开采相对安全区。正常情况下在15号煤层带压区开采时，发生突水的可能性小，但井田内陷落柱较为发育，奥灰水极易通过陷落柱导升至15煤层中，开采中应注意对隐伏导水断裂构造的探查，以免通过构造沟通引发奥灰突水。

2 井田水文地质及充水因素分析

2.1 井田水文地质情况分析

正行煤业井田处于娘子关泉域岩溶系统的南部径流区，井田边界均为人为边界。井田内含（隔）水岩层向井田外自然延展，无明显水力边界；较大的沟谷为井田北东部的水横沟，为井田内地表水的排泄通道，往东流入井田外的常年性水流枯河。本井田整体呈一单斜构造，地层总体上走向北北东，倾向北西，受构造影响，井田内地下水流向总体上呈自东南向西北径流。

2.2 矿井主要充水情况

矿井充水水源主要有4种形式，即大气降水、地表水体、煤系地层顶板含水层水和奥陶系灰岩充水含水层。

（1）矿井在采掘中未发生明显的突水，表现为短期的渗水和井筒淋水，矿井涌水主要是老空区通过顶板垮落带和导水裂缝带的滞后出水。如佳新矿井，老空区涌水量为21.7 m3/h，矿井涌水量为30.0 m3/h，矿井涌水量除去井下工业用水基本就是老空区水。

（3）矿井涌水量小，包括水文地质条件基本相同的南、北邻矿。原清河店联营煤矿实际生产能力9万t/a，矿井涌水量50 m3/d（2.1 m3/h）；原上其至煤矿实际生产能力12万t/a，矿井涌水量125 m3/d（5.2 m3/h）；原下其至煤业有限责任公司生产能力9万t/a，矿井正常涌水量40 m3/d（1.7 m3/h），最大涌水量60 m3/d（2.5 m3/h）。邻矿矿井涌水量见表1。

表1 矿井涌水量统计Table 1 Statistics of mine water inflow

（4）矿井涌水量受大气降水影响比较明显，据统计佳新矿井雨季涌水量是平常期的1.4倍。

2.3 底板充水含水层

煤系下部的奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层为各煤层的间接充水含水层，该含水层富水性极强，井田推测奥灰水位标高在797—825 m，地下水径流方向由南向北径流。井田内14号煤层底板标高790—1 300 m，15号煤层底板标高770—1 260 m。14号煤层最低标高处高于奥灰水位标高，开采不受奥灰水影响；15号煤层煤层底板标高在井田西北部局部为奥灰水带压开采。

2.4 隔水层

（1）石炭系中统本溪组。该组厚约19.47～20.00 m，平均19.74 m。主要由灰色砂质泥岩、泥岩及铝土泥岩组成。结构致密，层理完整，为良好的隔水层组。

（2）石炭二叠系之泥质岩类，厚度大，层位稳定，一般均不透水，常将其互层的砂岩含水层隔离为层间承压裂隙水，上、下无水力联系，故这些泥质岩类为隔水层组。

（3）新近系上新统之红色粘土及第四系中更新统红色土，均有良好的隔水性，山顶、山坡常见红土之上有小泉分布，说明其隔水性能良好。

2.5 矿井涌水量预算

富水系数比拟法预算矿井涌水量，矿井涌水量预算公式：

式中：Q为矿井预算涌水量，m3/d；Kp为富（含）水系数，m3/t·d；P为矿井设计生产能力，t/d；Q1为生产矿井涌水量，m3/d；P1为生产矿井产煤量，t/d。

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根据历年采掘技术资料分析，井田内可采煤层为15号煤层，生产期间实测矿井正常涌水量为37.30 m3/h，最大涌水量为55.95 m3/h。根据上式计算，当正行煤业开采15号煤层矿井生产能力达到150万t/a时，矿井正常涌水量为1 276.32 m3/d（53.18 m3/h），矿井最大涌水量1 914.64 m3/d（79.78 m3/h）。

2.6 矿井突水通道

通常引起矿井突水的通道主要有3种形式，即断裂及破碎带、煤层采动形成的垮落带、导水裂隙带。煤层采空后顶板产生导水裂隙带，将沟通上覆砂岩裂隙含水层，主要表现为顶板的渗水或淋水，易被疏干，容易控制，对煤矿的开采影响不大；若导水裂隙带贯穿上覆煤层采空区，将直接导致采空区积水导入开采煤层，威胁煤层的安全开采；若煤层导水裂隙带延伸至地表，将成为地表水源进入矿井的主要通道。因此，在开采过程中，隐伏导水断裂构造是形成底板突水的主要通道。

3 底板突水的安全性评价

综上所述，根据《煤矿防治水细则》规定，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.10 MPa/m。突水系数采用下式计算：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

15号煤层最低处底板隔水层的承受的水压为0.086 MPa。由于15号煤层带压区内没有钻孔分布，隔水层厚度采用井田内实际穿过整个煤系地层进入奥陶系灰岩的3个钻孔（3-1、3-2、JX1号钻孔）。据统计，15号煤层底板隔水层厚度18.27～45.48 m，平均33.92 m。

经计算，15号煤层最大突水系数为0.005 4 MPa/m，突水系数均小于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，正常情况下在15号煤层带压区开采时，发生突水的可能性小。15号煤层奥灰水带压开采如图1所示。

图1 1 5号煤层奥灰水带压开采示意Fig.1 Ordovician limestone water belt pressure mining in No.15 coal seam

通过对井田水文地质及充水因素分析，基于突水系数的底板突水危险性评价，正常情况下在15号煤层带压区开采时，隐伏地质构造极易发生突水事故，施工中应注意对隐伏导水断裂构造的探查，以免导水断裂构造沟通引发奥灰突水。因此，针对这一情况制定相应的突水防治措施及对策。

4 带压开采区防治水措施

4.1 建立采区防水闸门

在采区准备巷道施工前，按照《煤矿防治水规定》应当在采区巷道掘进来水一侧15～25 m处，加设1道挡物篦子门。防水闸门与篦子门之间，不得停放车辆或堆放杂物。来水时，先关篦子门，后关防水门。真正起到分区隔离作用，既能防治奥灰水，又避免了老空突水威胁，保障了人员安全，避免了淹井事故的发生。

4.2 掘进工作面富水性探查

在奥灰带压区须进行构造的超前探测，钻探与井下物探相结合，做到“有掘必探，先探后掘”，即采用“物探先行，钻探验证、化探跟进”的方法。由于矿井主要受空区水和奥灰水威胁，首先采用瞬变电磁仪查明含水异常区域，再通过钻探验证查明构造的导水性及富水性，采用化探跟进分析得出导水水源，根据水源确定合理的防治方法。

所探测到的水源为老空水即按照《煤矿防治水规定》中老空水防治原则进行疏放；水源为奥灰水导水构造或具突水危险构造须按照《煤矿防治水规定》要求留设防隔水煤柱或注浆封堵加固，注浆封堵加固后，须采用物探与钻探等方法对注浆改造效果进行验证、检查和评价。

4.3 工作面形成系统后富水性探查

工作面形成系统后，通过采用瞬变电磁和音频电透视对工作进行联合探查，确定工作面的富水特征，并对重点异常区域进行钻探验证，物探钻探相互验证无危险后，做出工作面水情水害分析安全性评价后，方可进行工作面回采。

4.4 做好地下水动态长期观测

在矿井开采至带压区域，需对采掘巷道的水文地质情况进行详细记录，重点对揭露构造带的观测，每周对矿井各个出水点变化情况进行观测，并对矿井涌水量变化进行分析，确保能够掌握矿井构造带的涌水量变化规律，并详细、真实记录第一手资料，为做好矿井带压开采区水文地质预报积累资料。

5 结 语

针对正行煤业15号煤层带压开采的问题，对其水文地质情况进行了分析，采用突水系数法对底板突水危险进行了评价。15号煤层最大突水系数为0.005 4 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，正常情况15号煤层带压区开采时发生突水的可能性小，但隐伏地质构造极易发生突水事故，施工中应注意对隐伏导水断裂构造的探查，以免导水断裂构造沟通引发奥灰突水，针对这一情况制定相应的突水防治措施及对策。