浅谈鹤济克井二矿水害分析与治理

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  【摘 要】分析矿区水源补给及水害成因,为矿区水害防治提供可靠依据,对矿区安全生产起决定性作用。
  【关键词】水害分析;研究;治理
  0.前言
  鹤济克井二矿属兼并重组矿井,鹤济矿业投资有限公司控股的股份制企业,设计生产能力30万t/a,目前正在技改期间。矿井西邻济联矿,东临东井矿,南邻克井一矿。开采标高为190m~-200m,矿区面积1.0850km2。累计探明地质储量853.57万吨,可采储量266.6万吨。立井单水平下山开拓,开采水平标高为+33.8m,主井深233.8m,副井井深233.3m。采区巷道布置,两条下山长度均为700余米,上段360米布置在煤层底板的岩层内,采用锚喷支护,下段布置在煤层内,沿煤层底板掘进,采用U钢支护。中央泵房布置在副井筒北侧的+33.8m水平,担负全矿井排水任务。安装MD450-60×5型水泵3台。主井井筒敷设两趟¢273×6.5型无缝钢管,直接排至地面。内外水仓总容量为2274m3。本井田开采二1煤层,厚度3.38~6.1m,平均4.73m,煤层倾角160~300,煤层结构简单,煤种为无烟煤;瓦斯矿井;煤尘无爆炸危险性,煤炭不易自燃。
  由于近年来全国水害事故时有发生,又加之上部小煤窑较多,原始资料部分缺失,搞清矿区水文地质条件,是摆在我们面前的一大课题,弄清矿区补给水源及水害成因至关重要。通过对矿区的水害分析和治理,能够消除安全隐患,为矿区安全生产奠定坚实的基础。
  1.矿井充水条件分析
  1.1地表水基本情况
  鹤济克井二矿地处太行山南麓,克井盆地东南侧,系冲、洪积扇地带,地势北高南低,区内地势较为平坦,最高海拔380m,最低海拔220m,相对高差160m,地形相对开阔,区内发育有小型冲沟,地表水易于排泄,无常年积水,雨季地表降雨多顺冲沟流走。
  地表常年河流为引沁济漭渠,从矿区北部自东向西流过,引沁济漭渠建成于1972年,区内渠底最低标高276m,设计引水量23m3/s,据引沁渠80~90年观测资料平均流量5.19m3/s,1980年最大流量8.44m3/s,1984年最小流量4.03m3/s,平均引水276天,1990年最多330天,1984年最少211天。
  1.2含水层基本情况
  1.2.1奥陶系~寒武系岩溶裂隙含水层
  奥陶系、寒武系碳酸盐岩在井田周围有大面积的分布,奥陶系与寒武系之间无明显的隔水层存在。由于在济源煤田内该含水层研究的程度较低,仅对奥陶系地层进行过1次抽水,单位涌水量仅0.085 L/s·m,水位标高169.83m,低于太原组岩溶裂隙水的水位(约225m),与一般的规律不相符,据此分析,奥陶系~寒武系岩溶裂隙水的水位在標高250m左右。由于岩溶裂隙发育的不均一性,抽水结果不能准确代表奥陶系~寒武系岩溶裂隙含水层的富水性,根据奥陶系~寒武系碳酸盐岩分布面积大,补给量也相当大;根据太原组上段岩溶发育,奥陶系~寒武系岩溶应比太原组上段发育,据此分析,奥陶系~寒武系岩溶裂隙含水层富水性应为强。
  一般情况下该含水层为二1煤层的间接充水含水层,上距二1煤底约90m,正常情况下对开采二1煤层影响影响不大。但在林场断层附近开采煤层时,对煤矿有一定安全威胁。
  1.2.2太原组下段岩溶裂隙含水层
  含水层性为石灰岩,由L1~L4石灰岩组成,其中L1较发育,石灰岩总厚度约10m。在原克井井田勘探中未对该含水层进行单独抽水,而是与太原组上段混合抽水,一般情况下,其富水性与太原组上段岩溶裂隙含水层的富水性相近,水位亦与太原组上段岩溶裂隙水相近而略高于太原组上段。
  一般情况下该含水层为二1煤层的间接充水含水层,上距二1煤底约50m,正常情况下对开采二1煤层影响不大。但遇构造裂隙带开采煤层时,对煤矿有一定的影响。
  1.2.3太原组上段岩溶裂隙含水层
  含水层性为石灰岩,由L7~L9石灰岩组成,其中L7较发育,石灰岩总厚度约10m。在原克井井田勘探中在标高100~160m有6个地质钻孔遇0.1~1.02m高的溶洞,说明太原组上段岩溶裂隙发育。从钻探时遇溶洞较多分析,其富水性比抽水时单位涌水量大一些,但目前从底板进入的水量不大分析,富水性弱,但不排除局部富水性可能。
  该含水层为二1煤层的底板直接充水含水层,上距二1煤层底板6.3~11.9m,天然条件下,太原组岩溶裂隙水不易赶往二1煤层,在开采二1煤层条件下,由于对煤层底板的扰动破坏,太原组上段岩溶裂隙水会进入矿井,因此太原组上段岩溶裂隙水对矿井影响较大。
  1.2.4二1煤层顶板碎屑岩裂隙含水层
  含水层岩性为中粒砂岩,井田内及附近一般有1~3层,厚度5.8~55.51m,一般约30m,裂隙较发育,但多被方解石充填。该含水层在与第四系接触部位接受孔隙水补给,该含水层为二1煤层的顶板直接充水含水层,在开采条件下,其中的裂隙水会进入矿井,对开采二1煤层有一定的影响,由于其富水性弱,一般以淋水及小股状进入矿井,一般不会对矿井的安全构成威胁。
  1.2.5下石盒子组碎屑岩裂隙含水层
  含水层岩性为为中粒砂岩,井田内及附近一般有2~12层,厚度33.03~108.96m,一般约30~40m,裂隙较发育,但多被方解石充填。该含水层在与松散层部位接受孔隙水补给,裂隙水顺岩层倾向向深部径流于盘石寺断层与岩溶裂隙水汇合。该含水层为二1煤层的顶板间接充水含水层,在开采条件下,其中的裂隙水一般不会进入矿井,对开采二1煤层几乎无影响。
  1.2.6松散岩类孔隙含水层
  井田及周边松散层厚12.58~94.15m(即第四系至古近系),由黄土及砂砾石层及砾岩组成,其中的砂砾石层和砾岩为含水层,分布的连续性差,据钻孔揭露的砂砾石层厚度2.24~8.78m,单位涌水量为1.51L/s·m,富水性强;新近系中的砾岩富水性相对较弱。松散岩类孔隙水接受大气降水的补给,其径流方向与地面倾向一致。   该含水层为二1煤层顶板间接充水含水层,一般情况下对开采二1煤层无影响,但在二1煤层上基岩厚度较薄时,孔隙含水层成为二1煤层顶板直接充水含水层,对开采二1煤层有一定影响。
  1.3隔水层基本情况
  1.3.1本溪组隔水层
  本溪组厚度2.5~16.08m,平均6.14m。由铝土质泥岩、泥岩和薄煤层组成。该隔水层在厚度正常情况下隔水性能良好,可阻止太原组下段和奥陶系~寒武系岩溶裂隙水的水力联系,但在厚度小的地段或断层附近将失去隔水作用。
  1.3.2太原组中段隔水层
  太原组中段砂泥岩段平均厚32.80m,由岩性以泥岩、粉砂岩、砂岩为主、薄層组成。该隔水层在厚度正常情况下隔水性能良好,可阻止太原组上、下段和岩溶裂隙水的水力联系,但在断层附近将失去隔水作用。
  1.3.3二1煤层底板隔水层
  系指太原组石灰岩顶面至二1煤层之间的泥岩、砂质泥岩,据以往资料,泥岩、砂质泥岩厚6.3~11.9m,在自然条件下,可阻止太原组段岩溶裂隙水进入二1煤层,但在开采条件下,由于采矿引起的煤层底板扰动破坏,使该隔水层失去隔水作用。
  1.3.4二1煤层顶板隔水层
  系指开采煤层引起的裂隙带之上的泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩组成的隔水层,一般指下石盒子组中的泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩组成的隔水层。该隔水层可阻止下石盒子组中裂隙水进入矿井。
  2.矿井水害分析
  2.1地表水
  由于该矿井田是由克井镇一矿、克井镇二矿和克井镇大社村五矿整合而成,三个煤矿先后建井,开采对象均为二1煤层,均在浅部开采,至使克井二矿井田范围内地表出现多处裂缝。加之该矿区没有较好的隔水层,雨季雨水渗入井下,井筒淋水也是浅层地表水所至,既增加矿井涌水量,又给安全生产带来隐患。
  由于小煤矿的开采,引沁济蟒渠造成部分渠底、渠墙出现裂缝,虽经治理,但仍存在渠水渗入井下现象,给克井二造成了水患威协。
  2.2老空水
  浅部的老窑遍布区,现为采空区。据2009年河南省地质矿产勘查开发局第二地质队对原克井二矿煤业有限公司井田进行的物探工作结果,该井田内有采空区积水两处,标高在-20~75m之间,积水面积分别为407536m2和17700m2,积水量分别为163000m3和7100m3。该积水对未来采掘活动影响大。
  2.3断层水
  林场断层位于济源鹤济克井二矿煤业有限公司北部边界外,仅在钻孔中揭露。为一南盘下降,北盘上升的正断层,走向近东西,倾向南西,倾角70°,落差约60~120m。其南盘的二1煤层与对盘的太原组、本溪组或奥陶系接触。在自然条件下,该断层破碎带在垂向上的导水性可能不好,但由于南盘的二1煤层标高约-220m,其煤层底板承受其下有岩溶裂隙水的水压较大;如在开采条件下,由于开采被开采煤层的底板受到扰动破坏,而断层破碎带为一软弱结构面,其力学强度比围岩低得多,在开采对煤层对底板破坏因素的诱导下,岩溶裂隙水可沿断层破碎带进入矿井,对矿井构成较大的威胁。
  3.水害治理
  3.1防水煤柱留设
  林场断层处应留足防水煤柱,防止岩溶裂隙水进入矿井。林场断层防隔水煤柱的留设计算:
  依据煤矿防治水规定附录三:防隔水煤(岩)柱的尺寸要求:二、含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设:
  经验公式计算:L=0.5KM>20m
  式中:L—煤柱留设的宽度,m;
  k—安全系数,一般取2~5;
  M—煤层的高度或采高,m;
  P—水头压力,MPa;
  k—煤的抗拉强度,MPa;目前国内各矿采用的煤的抗拉强度值大多在0.22~1.4 MPa之间;
  因此通过计算:
  L=0.5×3×4.72=50m>20m
  注:安全系数k取4,煤层的高度或采高M,取平均煤厚4.72m;水头压力P通过计算取4.2 MPa;O2的静水位标高在150左右,通过推算巷道掘到林场断层时的标高在-260左右;煤的抗强度,取0.25MPa;
  通过以上计算图上林场断层保护煤柱留设符合《煤矿防治水规定》要求,虽然符合《煤矿防治水规定》要求,但克井二矿又委托安徽省煤田地质局物探测量队,对林场断层进行了瞬变电磁勘探,进一步查明林场断层确切位置和富水情况,林场断层要留足防水煤柱尺寸,为安全生产消除隐患。
  矿井生产过程中,要采取物探先行,钻探验证方法进一步查清水文地质条件。按照“预测预报、有掘必探,先探后掘、先治后采”的原则进行。
  距林场断层100米时,停止施工,先进行物探,再进行钻探;距林场断层50米时,停止施工,再进一步物探,再钻探。
  3.2引沁济蟒渠治理
  引沁济蟒渠为工农渠,渠水丰富。横穿克二井田,在克二井田范围内长度为560米,根据治理工程设计预算,克井二矿拿出资金134.34万元。制定了引沁济蟒渠具体治理方案。
  (1)引沁济蟒渠渠底沉陷部分利用就近山坡土夹石进行回填,回填压实后进行C20钢筋砼衬砌,衬砌厚度20;每7m设一道伸缩缝,伸缩缝采用低发闭孔PE板,厚1.5;伸缩缝下铺设防渗土工膜,宽40;钢筋采用¢6@250,纵横向布置。
  (2)引沁济蟒渠左右侧渠墙采用C20钢筋砼衬砌,衬砌高度至设计渠顶,衬砌厚度15;每7m设一道伸缩缝,伸缩缝采用低发闭孔PE板,厚1.5;伸缩缝下铺设防渗土工膜,宽40;钢筋采用¢6@250,纵横向布置。
  (3)引沁济蟒渠渠底护角部分采用C20钢筋砼衬砌,衬砌高度0.5m,衬砌,宽度0.5m;钢筋采用¢10@250,横向布置。
  同时要在矿井东部边界和西部边界设测水站,以便掌握引沁济蟒渠渗水情况。
  3.3老空水治理
  矿井后期生产受老空水威胁。应采取增加本矿井出水点观测次数,时刻注意水量变化情况,对井下巷道密闭进行全面检查、加固并确保其具有抗水压能力。外围堵截等方法。
  矿井后期生产时,对老空水采取“物探先行、钻探验证、措施保障”方法进行疏、排降压,解除水患。带压采掘时除留设足够的防水煤柱外,还必须坚持,预测预报,有掘必探,先探后掘、先治后采”的原则。
  3.4地表水治理
  经常巡视地表沉陷裂缝,发现裂缝及时封填。特别是大雨过后随时检查地表沉陷裂缝情况。井筒淋水需进行了注浆堵水,减小井壁涌水量。
  4.结语
  通过对矿井补给水源及水害成因的分析,进一步证明了矿井地层中无很好的隔水层,受地表水影响较大;上部采空区面积大、条件复杂,对深部开采提出了更高要求;引沁济莽渠补给水源充足,治理难度大等。
  通过以上分析,为采取有针对性应的治理措施提供了理论依据,使措施更能符合实际。通过对引沁济蟒渠及井筒淋水的治理,效果显著,矿井的正常涌水量由原来的280m3/h,治理后为160m3/h,每年可节约上百万元排水费用,增加了经济效益,改善了员工作业环境,增加了矿井安全系数,确保了矿井正常安全、可持续发展。
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