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山西马道头煤矿水患类型及治水措施
2018-06-11
以山西马道头煤矿5#煤层为例,分析了矿井开采条件、水患来源,根据井田水文地质 特征,开展了5#煤层防治水分区划分研究。研究表明:①现阶段矿井水患主要为地表水及大气降 水、采空区积水、地下水,导水通道主要有断层、陷落柱、导水裂缝带和封闭不良钻孔;②5#煤层防治 水分区可划分为可采区和缓采区,其中可采区1 处,面积约110. 490 9 km2,缓采区2 处(Ⅱ-1#、Ⅱ- 2#),面积约75. 524 8 km2。在上述分析的基础上,针对可采区内的采空区积水、地表水及大气降 水、煤层顶板水、奥灰水、断层水以及陷落柱水的防治措施进行了阐述;针对缓采区水文地质特征及 水患类型不明确的问题,建议进一步...
Serial No. 589 May. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 589期 2018 年 5 月第 5 期 山西马道头煤矿水患类型及治水措施 姜士鹏 山西大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司) ( # ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以山西马道头煤矿 5 煤层为例,分析了矿井开采条件、水患来源,根据井田水文地质 ꢀ # 特征,开展了 5 煤层防治水分区划分研究。 研究表明:①现阶段矿井水患主要为地表水及大气降 # 水、采空区积水、地下水,导水通道主要有断层、陷落柱、导水裂缝带和封闭不良钻孔;②5 煤层防治 2 # 水分区可划分为可采区和缓采区,其中可采区 1 处,面积约 110. 490 9 km ,缓采区 2 处(Ⅱ-1 、Ⅱ- # 2 ),面积约 75. 524 8 km 。 在上述分析的基础上,针对可采区内的采空区积水、地表水及大气降 2 水、煤层顶板水、奥灰水、断层水以及陷落柱水的防治措施进行了阐述;针对缓采区水文地质特征及 水患类型不明确的问题,建议进一步开展物探工作,探明区内构造分布及水文地质情况。 关键词ꢀ 煤矿ꢀ 深部开采ꢀ 水患类型ꢀ 防治水分区ꢀ 采空区 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 05. 053 Water Hazards Types and Countermeasures of Madaotou Coal Mine in Shanxi Province Jiang Shipeng ( Madaotou Coal Industry Co. ,Ltd. ,Shanxi Datong Coal Mining Group) # Abstractꢀ According to 5 coal seam of Madaotou Coal Mine as the study example,the mining con- ditions and water hazards source of the coal seam are discussed,according to the mine hydrogeological ge- # ological,partition division of water hazards prevention and controlling of 5 coal seam is done. The study results show that:①at present,the mine water hazards types are mainly for surface water and atmospheric precipitation,goaf water,underground water,the water-guiding channels are mainly for fault,collapse col- umn,water-guiding fissure belt and the holes with poor sealing effects;②partition of water hazards pre- # vention and controlling of 5 coal seam can be divided into minable area and delaying mining area,among 2 them,number of minable mining area is one,its area is about 110. 490 9 km ,number of delaying mining # # 2 area is two (named Ⅱ-1 and Ⅱ-2 ),sum area of them is about 75. 524 8 km . Based on the above dis- cussion results,some related water hazards treatment measures of goaf water,surface water and atmospher- ic precipitation,water of coal seam roof,Ordovician limestone water,fault water and collapse column water of the minable mining area is proposed;in order to solve the unclear of hydrogeological characteristics and water hazards types,it is suggested that geophysical work should be futher conducted in the area,so as to obtain the reliable information of tectonic distribution and hydrogeological characteristics. Keywordsꢀ Coal mine,Deep mining,Water hazards types,Partition division of water hazards pre- vention and controlling,Goaf ꢀ ꢀ 随着我国煤炭地下开采深度不断增加,矿井安 安全生产,有必要按照井田内水文地质查明程度及 防治措施实施情况,将井田分为可采区(水文地质 条件清楚、水害防治措施实施效果较好)、缓采区 全开采受到突水灾害的威胁日趋严重。 为确保矿井 ꢀ ꢀ 姜士鹏(1990—),男,助理工程师,037100 山西省大同市左云县 ( 存在老空积水、承压水等隐患的煤矿,因经费、技 马道头乡。 术等因素的制约,水文地质条件不清楚且水患治理 2 46 ꢀ ꢀ 姜士鹏:山西马道头煤矿水患类型及治水措施ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 [ 1-2] ,针对各类区域特殊情况采取不同的 效果欠佳) 大气降水、采空区积水、地下水,导水通道主要有断 层、陷落柱、导水裂缝带和封闭不良钻孔。 2. 1ꢀ 大气降水及地表水 水文地质灾害防治措施,势必能够取得理想效果。 # 本研究以山西马道头煤矿 5 煤层为例,进行防治水 # 分区研究,将区内划分为可采区和缓采区,并针对各 区的水害类型,对相应的治水措施进行阐述。 井田内 5 煤层开采形成的导水裂缝带高度平 均为 193. 48 m,最大导水裂缝带高度为 374. 68 m, 大部分地区能够沟通地表,使得大气降水及其形成 的沟谷洪水对矿井充水有一定的影响。 井田及周边 分布有较大的河流,由北至南、由西至东分别为十里 河、元子河、大峪河、小峪河,多为季节性河流,即大 气降水及地表水对矿井采掘有一定的影响。 1 ꢀ 矿井开采条件 # 马道头煤矿 5 煤层底板标高为 760 ~ 1 230 m。 采用斜、立井混合开拓,一个水平开采,布置有主斜 井、副斜井、进风立井、回风立井 4 个井筒,主、副井 [ 3] 采用斜井开拓,回风井采用立井开拓 。 采煤工作 面采用单一走向长壁综合机械化低位放顶煤开采工 艺,后退式开采方式。 掘进巷道支护方式为锚杆 2 2 . 2ꢀ 采空区积水 . 2. 1ꢀ 井田内采空区积水情况 马道头矿已回采了 4 个工作面,其中 1 个工作 ( 索)金属网联合支护。 面为下山回采,工作面采空区积水沿工作面排水系 统已排净,其余 3 个工作面总体为上山回采,该类工 作面南部由于受到褶皱影响,存在一定量的采空区 积水(表 1)。 井田内钻孔揭露的地层由老至新有寒武系、奥 陶系、石炭系、 二叠系、 侏罗系、 白垩系以及第四 [ 4] 系 。 地层走向大致为 EW 向,倾向 N,为一南高北 低的单斜构造,地层倾角一般为 2° ~ 3°。 含煤地层 为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,共含煤 # 表 1ꢀ 井田内 5 煤层采空积水情况 调查区 编号 煤层厚度 / m 煤层倾角 / (°) 积水面积 积水量 1 8 层。 井田东北部虽然赋存侏罗系大同组地层,但 # 2 3 / m / m 仅赋存其底部地层,一般不含煤。 其中,5 煤层位于 太原组中部,距山西组底界 K3 砂岩一般约 20 m。 该煤层总厚 0. 34 ~ 26. 24 m,平均厚 11. 85 m,煤层 层位稳定,厚度大,井田内皆赋存且可采,煤层赋存 范围内厚度变化较大,结构复杂,有 0 ~ 15 层夹矸, Q1 Q2 15. 8 19. 5 21. 5 3 3 3 33 000 25 100 29 000 156 420 147 037 187 307 Q 3 2 . 2. 2ꢀ 周边矿井采空区积水情况 马道头井田周边矿井煤层特征参数及采空区积 水情况见表 2。 . 3ꢀ 地下水 井田内第四系松散层厚度小,含水层富水性差, # # 一般为 3 ~ 7 层。 井田内煤层具有西部厚(3 、5 煤 [ 5] 层合并)、东部薄的特征 。 2 井田内断层较发育,三维地震勘探及补充勘探 解译出落差大于 10 m 的断层有 182 条,二维地震勘 探解译出落差大于 15 m 的断层有 41 条,其中落差 大于或等于 20 m 的可靠及较可靠断层有 20 条;井 田内已确定了 13 个褶皱构造,其中 7 个背斜,6 个 向斜;井田内地表地球物理勘探解译出 19 个陷落 柱,另勘探钻孔揭露的陷落柱编号分别为 ZTXLZ1、 TXL1、TXL2,针对二、三维地震解译出的断裂构造、 陷落柱、异常体,布设了机动孔进行验证,发现煤层 底板与相邻钻孔底板高差不明显,说明陷落柱陷落 煤层较小;井田岩浆岩沿断裂构造上升侵入煤层,井 分布区域有限,由砂砾石层、粉土组成。 地下水主要 接受大气降水补给,随地形由高至低运移,同时向下 伏基岩渗漏,主要排泄方式为人工开采,矿井涌水量 可能增大。 石炭—二叠系含水层为煤层开采的直接 # 充水含水层,井田内 5 煤层开采时,砂岩裂隙水易 进入矿井,故砂岩裂隙水为该煤层的主要直接充水 因素。 该地段含水层富水性中等—弱,充水量有限, 一般情况下不影响矿井生产,但由于其富水性具有 # 不均一性,不排除局部地段富水性增强,故对 5 煤 层开采将构成一定威胁。 # 田西部 715、711、713 钻孔内的 5 煤层有煌斑岩侵 # 赋存于岩溶裂隙中的承压含水层为太原组 5 # 入,对太原组上段的 5 煤层有破坏作用,但影响范 煤层底板突水的间接性充水含水层,井田内开采煤 层属于带压开采煤层。 依据井田内揭露的寒武—奥 陶系灰岩钻孔数据,灰岩含水层岩溶裂隙发育极不 均一,涌水量为0. 091 5 ~ 0. 131 7 L / (s·m),为富 [ 6-8] 围较小 。 总体上,井田地质构造复杂程度中等。 2 ꢀ 矿井水患类型 现阶段,马道头煤矿水患类型主要有地表水及 2 47 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 # 表 3ꢀ 5 煤层突水系数 表 2ꢀ 马道头矿井周边矿井煤层参数及采空积水情况 煤矿 采空区所处 煤层厚度 煤层倾角 积水面积 积水量 奥陶系顶板 底板隔水层 埋深 / m 承受水压/ MPa 厚度/ m 隔水层 突水系数 / (MPa/ m) 备注 钻孔编号 2 3 编号 煤层编号 / m / (°) / m / m # 1 1 1 1-1 1-1 1-1 10 709 20 589 61 261 138 026 ZK1406 ZK1622 ZK1715 ZK2711 ZK2709 ZK1422 ZK1618 ZK1420 JS-1 631. 32 435. 60 569. 75 660. 01 635. 63 541. 45 424. 56 381. 89 368. 31 439. 86 538. 12 638. 45 461. 50 3. 39 1. 06 2. 00 3. 00 3. 05 1. 97 1. 10 0. 63 0. 99 0. 79 2. 46 2. 97 1. 24 99. 32 80. 12 96. 02 59. 27 64. 83 85. 77 97. 64 90. 25 81. 71 42. 54 72. 47 69. 85 82. 10 0. 034 0. 013 0. 021 0. 051 0. 047 0. 023 0. 011 0. 007 0. 012 0. 019 0. 034 0. 043 0. 015 # # # # # # 32 911 69 208 130 533 80 719 29 206 18 411 93 494 54 727 29 617 17 048 17 062 19 206 侏罗系 矿井 A 11-2 1 1 1 1-2 采空 1-2 积水 1-2 # 1 4 B C # 1 4 23 424 28 080 37 864 56 796 # 5. 00 5. 00 5. 30 5. 30 5. 30 5. 30 9. 00 5. 00 5. 00 3 3 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 2 JS-2 # # # # # # # # 163 578 245 367 2 2 2 2 2 5 5 5 JS-3 1 426 2 273 JS-4 10 751 17 136 10 404 16 583 K14 D # F98 、F99 断层影响区域内的 5 煤层区属于底板突水 8 723 13 903 危险区。 39 284 63 008 46 125 69 356 45 881 68 990 61 030 97 171 19 000 23 402 53 400 54 543 12 019 24 191 13 236 26 640 19 015 38 273 24 500 49 000 E F 3ꢀ 煤矿防治水分区划分及治水措施 3. 1ꢀ 防治水分区划分 # 5 . 30 G H 山 4 防治水分区划分的原则为:①井田内 5 煤层为 # 4. 10 3. 40 6. 70 6. 70 6. 70 6. 66 6. 66 6. 66 6. 66 6. 66 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 石炭系 矿井 带压开采,经计算,属于带压开采安全区,根据以往 地质、水文地质勘探成果以及物探、钻探资料,可将 井田内地质构造情况及水文地质条件明确的区域划 为可采区,将井田内水文地质条件暂不清晰的区域 划为缓采区;②将大巷及已掘巷道划为可采区;③井 田边界保安煤柱范围及采空区不参与划分。 根据上 # # # # # # # # # 采空 I 积水 7 000 14 005 40 500 81 030 39 000 78 029 42 000 84 031 83 300 45 403 27 500 11 907 30 000 14 907 # J 述原则,井田内 5 煤层防治水分区划分结果见表 4 及图 2。 # 表 4ꢀ 5 煤层防治水分区划分结果 1 1 . 81 . 44 山4 面积 面积比例 / % 分区 编号 分布范围 山4 2 / km K # 1. 65 3 北一盘区、北二盘区、 北三盘区、北四盘区、 # 5 14. 43 5 894 3 908 # 可采区 Ⅰ 北七盘区、南一盘区和 110. 490 9 55. 86 水性中等—强含水层,尤其在构造破碎带或封闭不 良的钻孔地带,灰岩水很可能沿导水裂隙带间接成 # 为 5 煤层的矿井充水水源,对煤层开采构成威胁。 南三采区的北部 # # Ⅱ -1 -2 北五盘区、北六盘区 14. 695 3 # 缓采区 Ⅱ 38. 18 5. 96 北八盘区、北九盘区、 60. 829 5 南二盘区 Ⅱ 通过综合考虑煤层突水系数、充水含水层富水 性、底板隔水层和有效隔水层、地质构造等因素,本 # 研究采用多因素叠加法对 5 煤层底板突水危险性 不参与 划分区 8201 工作面、8202 工作面、 8203 工作面、8210 工作面 1 1. 797 5 [ 9-10] 进行了评价 ,结果如表 3、图 1 所示。 3. 2ꢀ 分区防治水措施 3. 2. 1ꢀ 可采区 # 由表 3 知:5 煤层底板的突水系数均小于 0. 06 [ 11] MPa / m,属于底板突水安全区 ,总体上看,F98 、F99 断层构成的地堑区域的太原组地层可能导通奥陶系 灰岩地层,两者在部分块段会产生水力联系,因此在 (1)采空区积水。 ①生产过程中须严格执行老 空积水的“三线”管理制度,综合分析采空区分布范 围,划出积水线、探水线和警戒线,并结合矿井实际 2 48 ꢀ ꢀ 姜士鹏:山西马道头煤矿水患类型及治水措施ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 # 图 1ꢀ 5 煤层底板突水系数分区 # 图 2ꢀ 5 煤层分区划分示意 情况,最终确定的探水线为积水线外推 40 m,警戒 线为探水线外推 50 m;②采掘工作面进行探水前, 应预先编制专项的探放水方案,确定允许掘进的距 离和超前距离,并制定有害气体安全防范措施;③按 照相关规定对采空区及废巷进行密闭,留设导水孔, 加强观测,及时将采空区积水排出,同时留设观察 孔,观测采空区内的温度和有害气体分布情况;④须 定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃老窑积水情 况,并在井上下对照图件上标出相关井田位置、开采 范围、开采年限及积水情况,在采掘工程平面图及充 水性图件上标绘出积水井巷及采空区积水范围、底 板标高和积水量等信息,此外,还应建立井田及相邻 矿井采空区动态管理机制,以有效掌握采空区范围、 涌(积)水情况等信息。 2 49 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 ( 2)大气降水及地表水。 ①地面广场应定期检 井田内及周边老窑破坏情况及老窑积水情况,查清 缓采区内地质构造及水文地质条件,确保矿井生产 安全;③在充分开展物探工作,且物探成果经过严格 评审通过后,缓采区方可转化为可采区进行开采。 4ꢀ 结ꢀ 语 查疏通各排水系统,确保地面无积水,遇有外水时确 保不流向井口方向,在矿井井筒附近储备防洪(雨) 水黏土袋,在矿区内应采取填坑、补凹、整平地表等 措施,定期清理矿井工业广场以及周边水沟;②封堵 塌陷坑及地裂缝;③加强雨季前防汛工作,严格执行 矿井雨季“三防”管理制度,每年根据本年度采掘工 程布置情况制定详细的水灾应急处理预案。 分析了山西马道头煤矿的开采条件,并将该矿 # 5 煤层的防治水分区划分为可采区及缓采区。 针对 可采区及缓采区的水文地质特征,制定了详细的水 患防治措施,对于确保该煤层安全开采有一定的借 鉴价值。 ( 3)煤层顶板水。 对于物探解译的煤层顶板含 水层的富水异常区,应采用井下瞬变电磁勘探方式 进一步核实,而后对富水异常区进行井下钻探验证, 经证实本含水层与强含水层或其他水体未发生水力 联系,且采区有足够排水能力时,可在采区最底部首 先回采,实行采动放水,也可以结合生产开拓需要, 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ 1]ꢀ 王西泉. 小保当二号井田上部可采煤层赋存特征[ J]. 硅谷, 2014(20):200-201. 2]ꢀ 陈少帅,白峰青,刘ꢀ 猛,等. 邢东矿隐蔽致灾因素研究[J]. 河 北工程大学学报(自然科学版),2015,32(2):97-100. 3]ꢀ 吴玉国,邬剑明,张东坡,等. 综放工作面连续注氮下采空区气 体分布及“三带” 变化规律[ J]. 煤炭学报,2011,36(6):964- 直接在含水层内掘进巷道放水。 # 4)奥灰水。 矿井 5 煤层为带压开采,需做好 ( 奥灰水防治工作,即加强对带压区内断层和陷落柱 富导水性的探测与研究工作,可通过注浆封堵方式 切断其与奥陶系灰岩含水层的水力联系,也可通过 9 67. [4]ꢀ 施龙青. “下四带” 理论及其在底板突水评价中的应用[C] ∥ 中国煤炭学会矿井地质专业委员会 2008 年学术论坛文集. 北 京:中国煤炭学会矿井地质专业委员会,2008. [ 12-15] 留设防隔水煤柱进行隔离 。 [ 5]ꢀ 李ꢀ 垚,朱ꢀ 文,程海燕. 潘一煤矿井田 11-2 煤层小构造分布 规律研究[J]. 煤田地质与勘探,2003(5):17-20. ( 5)断层水。 ①在巷道掘进过程中,巷道前方 若揭露到断层,应采用直流电法超前探方式进行探 查工作,若探测为导水断层,应进行钻探验证工作, 必要时编制探放水方案,由专业探放水技术人员依 据相关规范进行探放工作;②采取各种钻探及物探 手段探明隐伏构造,尤其应查明导水构造和隔水层 [6]ꢀ 盛守福. 马道头煤矿水处理工程设计[ J]. 露天采矿技术, 2 016,31(8):75-78. [ [ [ [ 7]ꢀ 王紫艳. 大同煤田马道头井田 5 号煤层特征浅析[J]. 科学之 友,2013(7):134-135. 8]ꢀ 史永廷. 马道头井田开采水文地质条件及充水因素分析[J]. 内江科技,2008(5):113-114. [ 16] 9]ꢀ 邢丽花. 基于多因素模糊聚类的底板突水危险性预测研究 的薄弱带 ,对落差大且富水性较强的断层,按照 [ D]. 青岛:山东科技大学,2011. 10]ꢀ 路亚彬,马良俊. 煤层底板突水危险性评价的 RS-GSVM 模型 J]. 现代矿业,2018,34(01):90-94. 相关规范合理留设煤柱。 ꢀ ꢀ (6)陷落柱水。 巷道掘进前应采用井下物探技 [ 术对掘进头前方陷落柱进行探测,初步确定陷落柱 位置,而后采用钻探方式进行验证,精确探查陷落柱 的发育 形 态、 岩 性、 周 边 裂 隙 发 育 程 度、 导 水 性 [11]ꢀ 张建民. 景福矿井开拓方案设计探讨[J]. 科技情报开发与经 济,2012,22(3):140-142. [ 12]ꢀ 宋红旗. 煤矿水害原因及综合防治技术应用探讨[J]. 江西煤 炭科技,2018(1):102-103. [ 17] 等 。 依据相关规程留设合理的防水煤(岩) 柱或 [ 13]ꢀ 屈少波. 带压开采工作面安全评价及防治水技术研究[J]. 陕 西煤炭,2018,37(1):19-22. 采用注浆封堵方式进行治理。 对于浅部巷道已经揭 露出的不含水也不导水的陷落柱,按照《煤矿防治 水规定》,在深部掘进时应对其进行探测,对于巷道 已经揭露的不含(导)水陷落柱,应对巷道底板进行 探查,防止出现滞后突水现象。 [14]ꢀ 贺警龙. 王庄煤矿水害防治技术措施[ J]. 山东煤炭科技, 017(12):84-85. 2 [ [ [ 15]ꢀ 赵ꢀ 章,白峰青,陈少帅,等. 九龙矿 15445N 工作面底板破坏 特征研究[J]. 煤炭与化工,2017,40(2):26-29. 16]ꢀ 徐ꢀ 睿,屠世浩,郑西贵. 浅析断层构造突水机理及防治措施 [J]. 煤矿安全,2009,40(1):79-81. 3 . 2. 2ꢀ 缓采区 在水文地质条件不明确的情况下,切勿在缓 17]ꢀ 李永明. 煤矿水害防治井下物探技术的选择与应用[J]. 中国 石油和化工标准与质量,2017,37(18):184-185. ① 采区内进行任何采掘作业;②在进入缓采区内开采 前,须进行地面物探及其他技术探查工作,查明以往 ( 收稿日期 2018-03-21) 2 50
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