福建省仙亭煤矿矿井突水成因及防治水措施分析_余国松.pdf

工作研究与理论探讨福建省仙亭煤矿矿井突水成因及防治水措施分析余国松（福建省 地质大队，福建 泉州）摘 要：本文对矿区原始资料进行重新分析，采用探、放水试验手段，研究矿井突水水源和导水通道，重新厘定栖霞岩溶含水层与导水断层的空间展布，得出仙亭煤矿在掘进后洋 运输大巷时发生突水的成因。在此基础上，采用定量分析与计算，确定 突、灰导水断层。利用水源井和积水区等边界各水平防隔水煤（岩）留设方案，设置探水线和警戒线，解放原灰岩水突水危险区的部分压覆煤炭资源，防治水效果显著。关键词：突水水源；导水通道；防治水；定量分析；福建仙亭中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）矿井突水是矿山开采过程中最具生命威胁的自然灾害之一，危害程度仅次于瓦斯，是制约矿山安全高效生产的重要因素。当前，我国大多数煤矿已进入深部开采阶段，矿井突水防治工作面临着前所未有的挑战。为此，本文以福建省仙亭煤矿矿井突水为例，对矿山井上、井下水文地质进行调查，对原始资料和突水之后探、放水试验数据进行重新梳理，研究煤系地层与栖霞组地层对口的空间关系，分析矿井突水成因，采取拦挡、留设防隔水煤（岩）以及通过帷幕注浆穿过含水层等防治水方法，解放仙亭煤矿因突水压覆的部分煤炭资源。研究结果为矿山安全生产提供了科学依据，具有十分重要的意义。矿区概况 矿区基本概况仙亭煤矿位于大田县上京镇。矿井采用斜井开拓，设 计 分 、个 水 平 开 拓。年 月 日，仙亭煤矿后洋 运输大巷开始出水，尤其是 年 月，突水量大于 。之后，地勘单位开展了大量水文地质调查工作，初步认定为岩溶突水，并以 与 连线为界，西侧划为安全开采区，东侧划为灰岩水突水危险区。考虑安全生产，将该危险区整体列为禁采区，禁采标高为，封闭所有压覆煤炭资源。矿区地形地貌矿区属构造侵蚀中低山区，地形整体呈北、北西部高，南东、南西低，沟谷发育，南东部有正川溪向东流出矿区，西部分别有仙亭溪、柯坑溪向西流出矿区，地形切割较深，断面多呈“”字形，水流排泄较通畅。地质 地层矿区内出露的地层从老至新有：石炭系下统林地组（）、二叠系中统栖霞组（）、文笔山组（）、童子岩组（）、上统翠屏山组（）、大隆组（）、长兴组（）；三叠系下统溪口组（）；第四系残坡积层（）。该矿井含煤地层为童子岩组第一段（）和第三段（），较稳定的可采煤层有、号和 号煤层（图）。构造矿区褶皱发育，断层较发育，规模较大的断层多数构成井田的边界（如、），井田内部的断层使煤系地层构成独立的块段（如、），对开采有一定影响的仅有。岩层含水性按照地下水的赋存性质和埋藏条件，矿区地下水分为两种类型：孔隙、裂隙含水岩组与岩溶溶隙、裂隙含水岩组。孔隙、裂隙含水岩组表层主要为第四系冲洪积层和残坡积层，为松散岩类孔隙水，渗透性好、富水性弱至极弱，下部为风化带孔隙裂隙水，富水性与基岩风化程度、风化带的厚度密切相关。深部三叠系下统溪口组（）、二叠系上统翠屏山组（）、二叠系中统童子岩组（）第三段和第一段，岩性主要为砂岩、粉砂岩、煤层等，局部节理裂隙发育，含水性受构造裂隙控制和埋深制约，具有一定承压性。根据巷道调查结果，煤层顶底板细砂岩局部节理裂隙发育，透镜状分布，且不均匀，富水性弱，为层DOI:10.13487/ki.imce.022901间弱裂隙含水岩组。岩溶溶隙、裂隙含水岩组二叠系上统长兴组（）在矿井内零星出露，岩性为潜海相灰岩，岩溶不均匀分布，富水性不均匀，中等含水不含水；二叠系中统栖霞组（）地表出露于矿区北部仕坑溪南侧，大部分布在童子岩组 文笔山组下部，整体北高南低，向南倾伏（图），富水性随着埋藏深度变小，岩性为灰岩夹泥灰岩，富水性强不含水，富水性极不均匀，为岩溶溶隙、裂隙含水岩组。隔水岩组二叠系中统童子岩组第二段（），二叠系中统文笔山组（），岩性为泥质砂岩夹泥岩、泥岩，裂隙不发育，一般不含水，为相对稳定的隔水岩组。石炭系下统林地组；二叠系中统栖霞组；二叠系中统童子岩组第一段；二叠系中统童子岩组第二段；二叠系中统童子岩组第三段；二叠系上统翠屏山组；二叠系上统长兴组；二叠系上统船山组；二叠系上统翠屏山组；三叠系下统溪口组；地质界线；正断层 逆断层 滑脱断层；背斜 向斜；煤层及编号；原突水危险区分界线；矿界图 地形地质图 矿井突水成因分析与讨论 矿井突水过程特征 年 月 日早班，在后洋 水平运输石门掘进至 补 号孔附近时，煤层底板砂岩渗出四股水，总涌水量达 ；迎头继续掘进，月 日水量逐渐增大，涌水量达 ；之后打打停停，进尺.，涌水量渐渐增大，增幅不大；年 月 日，又进尺，迎头遇到一断层破碎带，此时有水涌出，涌水量紧接着猛增至 ，月 日达 。矿井突水水源分析与讨论一般来说，矿井突水水源为地表水体、老窑积水或灰岩岩溶水。根据以往资料，水源孔、老 和仕坑村水井均有揭露到栖霞组灰岩，经取样化验，突水点与老、水源孔、仕坑村水井的水样 值均为，同属 型，水质相近，结果表明突水水源为栖霞组灰岩岩溶裂隙水。矿井突水通道分析与讨论一般来说，突水通道有天然的导水断层、岩溶陷落柱、裂隙带及人为的采煤冒落带、小窑井巷和封闭不良钻孔等，后洋 运输大巷突水水源来自深部栖霞组灰岩岩溶水，根据该矿井历史开采情况，突水点周边无沟通栖霞组地层的小窑井巷、岩溶陷落柱不发育，且未在周边煤巷或采煤工作面中发现突水迹象，排除岩溶陷落柱、采煤冒落柱、小窑井巷等突水通道，突水通道最可能为封闭不良的钻孔或导水断层。封闭不良的钻孔分析通过原始资料查询，突水期间 运输大巷突水点周边封闭不良且深部有揭露栖霞组灰岩的钻孔有 水源孔、老。水源孔。运输大巷从靠近 水源孔向远离方向开拓的过程中发生突水，故排除 水源孔是 运输大巷突水主要通道的可能。老。原福建省永安煤业有限责任公司上京分公司于 年 月 年 月实施井巷工程，并于 年 月井下找到老，进而对老 扫孔和封孔，在扫孔过程中进行水位测定、注水试验、放水试验和重新封孔。试验结果显示，运输大巷放水时，老、水源孔、仕坑村水井等水位均同时下降，停止放水后，三者水位均有回升；老 重新封孔后，运输大巷最大放水量与封孔前相比没有明显变化。结果表明，老、水源孔、仕坑村水井与 运输大巷突水点存在水力联系，但同时排除老 是 运输大巷突水主要通道的可能。导水断层分析 运输大巷向前开拓过程中，迎头遇到一断层破碎带时，有水涌出，水量猛增。为进一步查清该断层（命名为 突），年 月到 月末，在 采区 运输大巷实施水平钻孔的探放水试验和水质检测。试验结果表明，水平探测钻孔之间水力联系畅通，突导水断层导水性强。之后对 探水石门前方碰到的 突导水断层进行帷幕注浆，注浆后仙亭煤矿成功掘进了 采区 运输大巷，使 运输大巷安全通过 突导水断层，验证了 突导水断层是仙亭煤矿突水的主要导水通道。此外，通过地表和井下巷道调查和钻孔原始资料查阅发现，地表有 个点揭露 突断层、个钻孔揭露突断层，井下 个点揭露 突断层，部分钻孔揭露到 突断层时，出现漏水现象。调查发现，北石门揭露到 突断层时，未发现淋滴水现象，东大巷揭露到断层 突时，发现严重淋水现象，这主要与该矿井岩溶水的稳定水位为 有关，基本查明 突断层性质与空间展布。研究是否存在其他导水断层与 突导水断层连通或切通栖霞组灰岩与煤系地层，发现矿井文笔山组与栖霞组灰岩地层呈断层接触，将断层定为 灰。根据断层调查情况，灰断层为滑脱断层，走向长，走向北西西，东段倾向南东，中段倾向南南西，西段倾向南西，倾角为 。断层破碎带宽度 .，充填物主要为铅锌矿和石英脉，裂隙发育。个控制点中有 个导水性较强，个导水性弱，灰断层为导水断层，构成岩溶区连接通道，无其他导水断层。栖霞灰岩岩溶水补径排条件分析栖霞组岩溶水的主要补给来源是大气降水及仕坑溪溪水。大气降水及仕坑溪溪水通过矿井北部沿栖霞组灰岩风化带和西北部石灰岩矿露天采区补给岩溶水。大气降水部分通过第四系残坡积层或童子岩组风化带入渗，直接补给童子岩组细砂岩裂隙水。矿井开采前，岩溶水通过井田西北部仕坑村头栖霞组灰岩露头裂隙带呈泉水流出地表排泄。矿井开采后，矿井西北部仕坑村头栖霞灰岩泉水已消失，泉点附近的仕坑村水井出水量；另一排泄通道为 水源井，水源井出水量 ，该孔静水位目前稳定在。根据栖霞组灰岩及岩溶空间的分布（图），栖霞组岩溶水主要从北往南沿岩溶裂隙通道补给，主要径流通道是岩溶水由矿井北东部栖霞组灰岩风化带、石灰岩矿露天采区及井下采空区，通过岩溶裂隙从北往南补给 、底部号岩溶区，号岩溶区通过岩溶裂隙（或 灰）从东往西径流至 底部 号岩溶区和 、底部的号岩溶区。底部及其附近文笔山组地层缺失，童子岩组与栖霞组直接对口接触，并且与栖霞组号岩溶区直接对口。栖霞组岩溶水从童子岩组与栖霞组直接对口部位，通过 突断层破碎带导水，补给童子岩组细砂岩裂隙含水层。顺着 突导水断层的空间展布（图），栖霞组岩溶水进入 突导水断层后，从东往西，从下往上径流，逐步补给童子岩组细砂岩裂隙含水层。此外栖霞组岩溶水还通过 水源孔，直接抽水为生活饮用水。灰岩顶界面等高线；突空间分布；栖霞灰岩出露范围；栖霞灰岩汇水区域；灰岩顶界面与童子岩组对口区；灰岩采空区；露天采坑；地下稳定水位线；仕坑溪及水流方向；地下水径流方向；与 突相交的断层；岩溶发育区图 突空间分布、灰岩顶界面等高线及岩溶水补径排示意图 小结研究结果表明，后洋运输大巷突水来自深部栖霞灰岩岩溶水，主要突水通道为 突，即 突导水断层切割煤系地层，与 灰导水断层相交，使煤系地层与栖霞组灰岩直接对口，突与栖霞组岩溶裂隙水直接产生水力联系，将栖霞组岩溶裂隙承压水导入后洋 运输大巷。防治水措施讨论与建议矿井突水防治水措施有自然疏导、机械抽水和拦挡，该矿属于下山开采，无法选择自然排导。又因 水源孔和仕坑村水井与 运输大巷存在明显水力联系，若采用机械抽水，将造成仕坑村居民用水问题，机械抽水经济成本高，如果抽水量太小容易淹井。因此，建议采用拦挡方法，以不打破岩溶水“水缸”、保持岩溶水相对平衡的原则，避免次生灾害，通过留设防隔水煤岩柱和帷幕注浆方法，让运输巷道穿过突导水层。突导水断层隔离防水煤（岩）柱留设根据煤矿防治水规定，突断层隔离防水煤（岩）柱留设采用公式为：（）式中：煤柱留设宽度，；安全系数，一般取，取；煤层厚度或采高，一般小于，取；水头压力，（矿井静水水位，突在 水平时，水头压力为）；煤的 抗 拉 强 度，一 般 ，取。按 突偏移公式：（）式中：安全煤柱高度，；断层倾角，（），取。灰导水断层隔离防水煤（岩）柱留设由于 灰断层的底部直接为栖霞岩溶承压含水层，灰断层隔离防水煤（岩）柱留设采用“突水系数公式”：（）式中：为底板隔水层厚度；为水头压力，.（矿井静水水位，突在 水平时，水头压力为）；为突水系数，构造破坏地段按 计算。后洋运输大巷积水区隔离防水煤（岩）柱留设 后洋运输大巷积水区隔离防水煤（岩）柱的留设：参照煤矿防治水规定附录三之五“水淹区或老窑积水区下采掘时隔离防水煤（岩）柱的留设”，第 条“在水淹区下或老窑积水区下的煤层中进行回采时，隔离防水煤（岩）柱的尺寸不得小于导水裂缝带最大高度与保护带高度之和”。导水裂隙带最大高度（包括冒落带）根据原煤炭工业部制定的矿井水文地质规程（试行），当煤层倾角为、岩层抗压强度为、岩性为砂质页岩和泥质砂岩等，采用全部垮落法回采时，导水裂隙带（包括冒落带）最大高度为：（）式中，为导水裂隙带，包括冒落带；为累计采厚，取；为分层层数，取。保护带高度引用公式：。但 后洋运输大巷的积水有承压，水压 ，根据煤矿防治水规定第五章第 条，该块段探放水的超前钻距应大于，保护带高度取。防隔水煤（岩）柱，取整为。水源孔隔离防水煤（岩）柱的留设 是矿区的水源孔，其水源为栖霞组岩溶裂隙水。留设方法参照 突断层计算方法，例如 水源孔在 水平留设偏移量为。综合以上四种情况下的隔离防水煤（岩）柱留设计算方法，仙亭煤矿在、个水平开采各类隔离防水煤（岩）柱留设，结果见表。根据隔离防水煤（岩）柱设置禁采线，禁采线外推 设置探水线，再外推 设置警戒线，留设结果见图。表 仙亭煤矿隔离防水煤（岩）柱留设结果一览表名称水平水平水平水平突断层灰断层断层断层 后洋运输大巷积水区