鎮(zhèn)城底礦東二采區(qū)下組煤開采防治水措施
鎮(zhèn)城底礦東二采區(qū)下組煤開采防治水措施
鎮(zhèn)城底礦
2008．1．10
東二采區(qū)下組煤開采防治水措施
1、采區(qū)概況
東二采區(qū)地表位于城家曲和陰家溝一帶，位于井田東北角，東二采區(qū)地表溝谷縱橫。地形最高點在搶風梁附近，標高在1200米；最低點在采區(qū)北部的汾河沿岸附近，標高在1000米。2.3#煤蓋層厚度90-360米，8#煤蓋層厚度160-430米?，F(xiàn)上組煤已采空，采空積水較多。
東二采區(qū)總的構(gòu)造形態(tài)為南傾伏的復式向斜構(gòu)造，北部較高，南部較低，區(qū)內(nèi)地層走向變化較大，地層傾角在4-18度之間，平均9度，區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱發(fā)育，到目前為止，開采2.3#煤共揭露大于3.0米斷層30條，陷落柱24個。采區(qū)下組8#煤層厚度為1.70-4.98米，平均為3.30米。東北部煤層較薄，約2.2米左右，西部、南部較厚。全區(qū)煤層均可采，屬穩(wěn)定煤層，含1-2層夾矸。
2、采區(qū)水文地質(zhì)條件
2.1區(qū)域概況
太原西山東山地區(qū)和太原盆地構(gòu)成一個完整的水文地質(zhì)單元，三者之間有著一定的水力聯(lián)系，東、西山地區(qū)地下水向太原盆地匯集，除部分水量由大泉排泄外，其余部分向南運移。但由于彼此之間構(gòu)造格局的不同，邊界條件的差異，各自又為次級獨立的水文地質(zhì)單元，鎮(zhèn)城底礦井田就處在太原西山地下水系統(tǒng)的補給逕流區(qū)。太原西山區(qū)域地下水可分為四種類型:奧陶巖溶裂隙水；汾河及大溝谷中第四系沖積層的孔隙水；石炭二迭系風化裂隙潛水及石炭二迭系薄層灰?guī)r，砂巖裂隙承壓水。其中以奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水為主。
本井田處于馬蘭向斜東翼，奧陶系地層在井田北部和西北部外圍廣泛出露，向區(qū)內(nèi)埋藏漸深。與掩蓋區(qū)比較，露頭區(qū)傾角一般顯著變陡，巖溶也較發(fā)育，其巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，溶洞較少。鎮(zhèn)城底井田及周邊鉆孔揭露奧灰?guī)r溶水顯示，其外圍富水性較好，向井田南及東南部逐漸變?nèi)?，特別是奧陶系峰峰組，富水地段巖性以石灰?guī)r為主。制約古交礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水組的含水性主要取決于其埋藏深度,即標高愈高,透水性、含水性愈強,反之則弱;其次為構(gòu)造和巖性條件。據(jù)區(qū)域資料,奧陶系頂面標高低于550m者含水性較弱,低于470m者不含水。
2.2含水巖組的劃分及其特征
鎮(zhèn)城底礦地處西山煤田西北邊緣，地貌表現(xiàn)為中低山，地表切割強烈。地勢西南高東北低,地層總體上為向東南傾伏的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)最大的河流汾河從井田北部流過，區(qū)內(nèi)陰家溝、歇馬溝季節(jié)性河流由西南向北東匯入汾河。依據(jù)本區(qū)地層發(fā)育狀況及其水文地質(zhì)特征，可將研究區(qū)地下水劃分為奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組、太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組、山西組砂巖裂隙含水巖組、及采空區(qū)上部砂礫巖裂隙含水巖組。
2.2.1奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組
本含水巖組是礦區(qū)的間接充水含水層，主要有中奧陶統(tǒng)峰峰組及上馬家溝組。
2.2.1.1奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙含水巖組
本組平行不整合于本溪組之下,厚29.75～157.60m，平均95.32m，分為上、下兩段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、灰?guī)r及石膏，由于泥質(zhì)含量高，巖溶裂隙不發(fā)育，一般可視為隔水層；上段主要為石灰?guī)r、泥灰?guī)r，厚約60m，該段長期處于剝蝕作用下，裂隙充填泥土較多，影響巖溶發(fā)育，由于所處位置不同，受影響的程度也不同，因此使得其富水性差異較大，如井田北部峰峰組含水性表現(xiàn)為強，南部弱，甚至不含水。該組水壓標高830～885m，單位涌水量0.21～11.63L/s.m，滲透系數(shù)0.418～38.66m/d，水質(zhì)類型為HCO3－Ca·Mg、HCO3·SO4－Ca·Mg和SO4·HCO3－Ca·Mg型，礦化度377-641mg/L，水溫13～14℃。
本組含水性與其埋藏深度關系極其密切,埋藏愈淺,巖溶裂隙愈發(fā)育，含水也就愈豐富;反之則愈少。如井田北界外的Z-9號孔,O2f埋藏深度182.95m，巖溶發(fā)育，含水性好，單位涌水量（q）值達7.91L/s.m，滲透系數(shù)（K）值24.38m/d；而埋藏深的GS-13-2、416孔，巖溶不甚發(fā)育，僅有少量蜂窩狀溶洞，含水性很差，q值最大僅0.118L/s.m，K值最大0.481m/d，并且GS-14號孔O2f不含水?？傊窘M含水性因地而異，相差懸殊，富水性南北差異性較大，東南部地段甚至可視作非含水層。
2.2.1.2奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙含水巖組
本組平均厚度226.04m，分為上、中、下三段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾薄層石膏，厚40m左右，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，為相對隔水層；中段主要為豹皮狀厚層石灰?guī)r夾薄層白云質(zhì)灰?guī)r，平均厚100.20m，巖溶裂隙發(fā)育，鉆進中水位、水量有變化，富水性較強；上段主要為石灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，平均89.81m，巖溶裂隙發(fā)育，大部分鉆孔揭露該層時均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，水位急劇下降，消耗量增加，本段是該組主要含水層段，富水性強。本組水壓標高886.551～896.467m，單位涌水量0.67～2.72L/s.m,滲透系數(shù)1.042～2.72m/d, 水質(zhì)類型為HCO3－Ca·Mg或HCO3·SO4－Ca·Mg型，其中GS-13-2為SO4·HCO3－Ca·Mg型，礦化度311～409mg/L，水溫13～14℃。
2.2.2太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組
主要由L1、K2、L4三層石灰?guī)r組成,其中以K2最厚，平均3.02m，質(zhì)純，為主要含水層；L1平均厚1.10m，L4平均厚1.80m，不甚穩(wěn)定，巖性又常為泥灰?guī)r，因此含水性較差。本組頂部在區(qū)內(nèi)西北出露，裂隙、巖溶不甚發(fā)育，透水性及含水性隨之亦差，絕大部分鉆孔揭露時，水位及消耗量變化不大，據(jù)810號鉆孔抽水試驗結(jié)果，q值0.064～0.065L/s.m，K值0.393m/d，水壓標高1021.43m；鄰區(qū)416、417孔q值分別為<0.00056L/s.m和0.00022L/s.m。據(jù)416、417孔水質(zhì)分析成果，水質(zhì)類型為HCO3－Na型水，礦化度343～375mg/L（表3-3）。
2.2.3 山西組砂巖裂隙含水巖組
本組含水層主要是K3砂巖含水層。K3雖巖性及厚度變化大，但在絕大部分面積內(nèi)仍存在，厚度0.35～16.94m，平均5.72m。巖性為中—粗砂巖或含礫砂巖，膠結(jié)較松散。區(qū)內(nèi)抽水試驗資料僅有810號鉆孔，其q值0.0548～0.07 L/s.m，K值0.335m/d，水壓標高1019.36m。水質(zhì)類型HCO3－Na型，礦化度383mg/L。
2.2.4 采空區(qū)積水
本組為采空區(qū)上部厚層砂巖、沖積層組成的含水層，由于上組煤的開采巖層垮落形成的采空區(qū)積水，本層由于滲透性強，極易接受大氣降水及地表水補給，本層水質(zhì)為采空積水。
2.3 隔水層
各含水層之間有良好的隔水層。10號煤至奧陶系中統(tǒng)頂面隔水層段由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖及薄層石灰?guī)r、鋁土泥巖組成，厚度25.08~77.10m，平均厚度60.27m。正常情況下，上部地下水與奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r地下水無水力聯(lián)系。
峰峰組一段隔水層段由泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r、石膏等組成，厚度5.85~70.20m，平均厚度37.73m。從水質(zhì)類型來看，峰峰組二段含水層的水質(zhì)以硫酸型為主，而上馬家溝組以重碳酸型為主，兩段含水層無水力聯(lián)系，說明峰峰組一段起到一定的隔水作用。
2.4構(gòu)造導水情況
本區(qū)斷層多為壓扭性結(jié)構(gòu)面，斷層帶一般不寬，并且其中的斷層角礫互相擠壓緊密，尤其是穿過石盒子組的斷層帶，以泥巖為主，常形成不透水的隔水墻。
根據(jù)井田發(fā)育和井下揭露陷落柱統(tǒng)計，其陷落柱膠結(jié)情況大部分為松散狀，含水性較差，以致無水，只有少量的滲水和淋水，說明陷落柱充填物的重力可抵御奧灰水的上升，且水質(zhì)分析資料也顯示，其類型為HCO3·Cl—Na型，說明水源來自煤系地層，與奧灰?guī)r溶水無關，因此，井田開采上組煤基本不會受到奧灰水的影響；下組煤由于承受的水壓力增大和隔水層厚度的減少，以及受大面積采動，地應力重新分布等因素的影響，構(gòu)造帶垂向上的導水性將有所改善，因而地下水具有通過構(gòu)造的薄弱部位上升的可能性，對礦井形成威脅。
綜上所述，礦井開采下組8號煤時，受水壓力、隔水層厚度以及采動、地應力等因素的影響，奧灰水具有沿構(gòu)造薄弱部位上升的可能性，應在一定的防治水措施下進行帶壓開采。
3、充水因素
根據(jù)本采區(qū)的水文地質(zhì)條件，8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下，對礦井充水的主要水源有以下幾個：
3.1、采空區(qū)上部砂礫巖裂隙含水巖組
上組煤采空積水本區(qū)上組共采空約765000平方米，預計積水量約80000-150000米3。
3.2、山西組砂巖裂隙含水巖組
山西組K3砂巖含水組：厚度4米左右，單位涌水量0.004-0.0548升/秒，水位標高為1039.36米，是8#煤開采的間接充水因素。
3.3、太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組
太原組石灰?guī)rL1、K2、L4石灰?guī)r埋藏較淺，距汾河較近，含水性好，是工作面開采的直接充水因素。在掘進中觀測L1石灰?guī)r的正常涌水量約為1米3/小時，K2石灰?guī)r的正常涌水量約為2米3/小時。
3.4、奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組
奧陶系石灰?guī)r含水組：該含水組為本區(qū)主要含水組，是礦井潛在的充水因素，以裂隙巖溶水為主，本區(qū)2.3煤開采中巖溶發(fā)育，又距汾河近，加之斷層發(fā)育，含水性好。據(jù)井田834鉆孔資料，奧灰水水位標高為892-898米，單位涌水量4.43-10.56升/秒，滲透系數(shù)11.843米/日，水位降0.12-4米。
4、預計涌水量
東二采區(qū)工作面L1、K2、L4石灰?guī)r的正常涌水量在10-20m3/h左右，工作面隨著開采面積的增大，涌水量也會隨著增大，根據(jù)相鄰采區(qū)的經(jīng)驗，預計正常涌水量在20-40m3/h左右，工作面配備足夠的排水設施，能排出工作面的正常涌水量。但在構(gòu)造導水的情況下，奧灰水最大涌水量可達300-500m3/h。采區(qū)排水設施滿足不了排水的要求。
5、采區(qū)的具體防治措施
5.1、采空積水的防治
5.1.1上組煤采空積水的防治
為防治上組煤采空積水隨著下組煤回采的推進沿頂板裂隙涌入下組煤工作面，必須采取探放措施，在工作面回采前進行提前探放，無水后方可回采施工。
5.1.2同層采空積水的防治
我礦煤層傾角較小，屬近水平煤層。由于地質(zhì)構(gòu)造復雜銜接相對緊張，針對這一現(xiàn)狀，工作面掘進時，對同層8#煤采空積水嚴格按照規(guī)程堅持 “預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，自警戒線開始探放在確保工作面水頭壓力不大于0.15MPa的前提下，每20-30米探放一次，（視煤層傾角而定），工作面形成時，相鄰采空積水的探放工作也隨之而完成。從而避免了集中探放因水壓過大造成安全隱患或水量大而影響工作面銜接。
5.2、太原組頂板灰?guī)r含水層的防治
根據(jù)我礦其它采區(qū)8#煤頂板灰?guī)r含水層的出水情況結(jié)合18304掘進工作面L1、K2、L4石灰?guī)r的出水情況，預計頂板灰?guī)r含水層出水量L1灰?guī)r正常涌水量預計不超過1m3/h，K2灰?guī)r正常涌水量預計不超過2m3/h，在回采中頂板冒落導通頂板灰?guī)r含水層預計出水量會增大，針對出水情況工作面配備足夠的排水設施，可確保安全。
5.3、奧灰水的防治
5.3.1、帶壓開采可行性分析：
東二采區(qū)8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下，能否帶壓開采是必經(jīng)認真分析研究的問題?，F(xiàn)從突水系數(shù)和隔水層厚度兩方面進行計算分析：
5.3.1.1、突水系數(shù)分析：
本區(qū)奧灰水位取900米，8#煤層隔水層厚度取70米， 8#煤層最低標高730米。根據(jù)突水系數(shù)公式：Ts=P/M
Ts=2.4/70=0.034 MPa/m
從突水系數(shù)看小于0.06MPa/m，符合《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》的要求，但該區(qū)構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造的導水不容忽視。
5.3.1.2、隔水層厚度分析：
本區(qū)8#煤層標高點取730米，根據(jù)計算公式：
t————安全隔水層厚度（m）
l————采掘工作面的最大寬度（m=20）
r————底板隔水層的平均重度（0.023 MN/ m2）
Kp————隔水層的平均抗張強度MPa取0.20
H————隔水層底板承受的最大水頭MPa取2.40
代入公式計算得：t安=38.82米，而實際隔水層厚度為70米，大于安全隔水層厚度，因此在沒有構(gòu)造導水的情況下，是可以帶壓開采的。
5.3.2、奧灰水的具體防治措施
5.3.2.1、目前在帶壓開采區(qū)域僅能對已知構(gòu)造進行探測，對隱伏構(gòu)造措手無策，這樣隱伏構(gòu)造成為重大隱患，無法排除。因此我礦下一步計劃引進直流電法儀，直流電法儀的優(yōu)勢在于探明60-80米范圍內(nèi)有無含水體，在帶壓開采區(qū)的所有掘進巷道全部進行超前物探。嚴格按照規(guī)程堅持 “預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，對帶壓開采區(qū)域必須進行超前物探，超前距為20米，前方無導水構(gòu)造后方可掘進。
鎮(zhèn)城底礦東二下組煤采區(qū)突水系數(shù)最大為0.034MPa/m，隔水層厚度為70米，而且陷落柱多且大，奧灰?guī)r溶水最大極限涌水量為1088.34m3/h，是目前鎮(zhèn)城底礦受奧灰水威脅最為嚴重的區(qū)域。采區(qū)巷道最高標高為882.6m如果東二采區(qū)奧灰水突水后會給礦井造成威脅；可以通過強排延緩自救時間快速構(gòu)筑除防水閘門以外的防水密閉，達到把水災事故控制在計劃范圍內(nèi)，有效避免對礦井其它區(qū)域的威脅，進而解決皮帶巷防水閘門無法試驗及奧灰水滯后突水無法防治的問題，但需資金與技術支持。
5.3.2.2、工作面形成后進行物探，進行驗證隱伏構(gòu)造的范圍及導水性后方可開采，并要留有觀測孔監(jiān)測水文動態(tài)。
5.3.2.3、掘進和回采不能通過導水的斷層和陷落柱，防止其導水或滯后導水。若發(fā)現(xiàn)有導水的構(gòu)造，必須進行注漿加固。
5.3.2.4、工作面回采結(jié)束后其密閉要按規(guī)程規(guī)定的防水密閉的要求進行設計和施工。
5.3.2.5、工作面的排水設施、設備必須按規(guī)程規(guī)定滿足要求，并有備用的排水設施、設備。即掘進工作面必須有兩路4寸的排水管，排水能力不小于60 m3/h；回采工作面兩巷必須有四路4寸的排水管，排水能力不小于80 m3/h。
5.3.2.6、820軌道巷斜坡上部車場標高882.6米，為了確保礦井安全生產(chǎn)，預備2000個沙袋，以備急用。
6、存在的問題及建議
6.1、東二采區(qū)無采區(qū)水倉，我礦初步研究用移動泵站加以解決，但需增加2-3臺排水能力在500m3/h的水泵及配套管路?？蓾M足奧灰水突水要求。
6.2、購置一臺直流電法水害探測儀。
6.3、購置一臺注漿堵水鉆機。
鎮(zhèn)城底礦
2008．1．10
