酸刺溝礦井初步設計安全專篇之礦井防治水

第六章 礦井防治水
第一節 礦井水文安全條件分析
一、礦井水文地質條件
（一）含水層及隔水層
1、第四系松散層潛水含水層
全區分布廣泛，多為透水不含水層，只有溝谷中的沖洪積（Q4al+pl）砂礫石層構成松散層潛水的主要含水層。根據水文地質填圖水井調查資料：含水層厚度為1.80~6.00m。地下水位埋深h=2.00~5.20m，涌水量Q=0.231~0.810L/s，含水層富水性弱，所以補給條件差，潛水含水層與下部承壓水含水層的水力聯系較小，而與地表短暫的洪水水力聯系密切。
2、第三系（N2）半膠結巖層隔水層
巖性為紅色、棕紅色粘土，即紅土層，出露于井田東南部溝掌一帶，僅4個鉆孔揭露厚度19.72~65.50m，平均46.50m，該隔水層的透水性微弱，但在井田內分布不太連續，只能起局部隔水的作用，隔水性能相對較差。
3、石炭系～二疊系碎屑巖類承壓水含水層
（1）二疊系上統石千峰組（P2sh）：椐鄰區資料，泉流量Q=0.1~1L/s，含裂隙～孔隙承壓水，在井田僅零星分布。
（2）二疊系上統上石盒子組（P2s）：據鄰區資料，泉流量Q=0.01~3.5L/s，單位涌水量q<0.01L/s·m，井田內大部分被剝蝕。
（3）二疊系下統下石盒子組（P1x）：出露在井田東南部溝谷兩側，泉流量Q=0.01~1.18L/s，鉆孔涌水量Q=0.794L/s，單位涌水量q=0.303L/s·m，水位標高993.50m，含水層的富水性弱~中等，含裂隙～孔隙承壓水。P1x下部的泥巖全區發育，連續性好，隔水層好，是良好的隔水層。
（4）二疊系下統山西組（P1s）：分布廣泛，全區賦存。根據Y11、Y12號鉆孔抽水試驗成果：含水層厚度30.40~31.31m，平均30.86m，地下水位標高埋深53.50~58.35m，水位標高1068.00~1078.35m，涌水量Q=0.0417~0.0715L/s，單位涌水量q=0.00105~0.00256L/s·m，滲透系數K=0.00328~0.00631m/d，含水層的富水性微弱，透水性與導水性能較差，地下水的補給條件與徑流條件差。由于受P1x下部隔水層的阻隔，該含水層與上部含水層的水力聯系較小。該含水層為井田的直接與主要充水含水層。
（5）石炭系上統太原組（C2t）：分布廣泛，全區賦存。根據Y11、Y12號鉆孔抽水試驗成果：含水層厚度53.23~62.51m，平均57.87m，地下水位埋深115.18~127.80m，水位標高998.55~1016.67m，涌水量Q=0.0784~0.125L/s，單位涌水量q=0.00477~0.00602L/s·m，滲透系數k=0.00738~0.00845m/d，含水層的富水性微弱，透水性較差，水質良好，地下水的補給與徑流條件均較差，下部隔水層的隔水性能較好，該含水層為井田的直接與主要充水含水層。
（6）石炭系上統本溪組（C2b）：分布廣泛，平均厚度15.97m。據鄰區資料，泉水流量Q=0.01~0.05L/s。因此巖層的富水性非常微弱，可視為相對隔水層，該地質厚度穩定，分布連續，因此隔水性能良好。
4、奧陶系中統馬家溝組（O2m）石灰巖巖溶承壓水含水層
地下水位標高872.7~868.8m，單位涌水量q=2.826~34.321L/s·m。該含水層富水性不均，巖溶發育地段的富水性強。由于上部C2b的隔水性能良好，所以含水層與上部C2t煤系含水層的水力聯系較小。但井田內煤層底板最低標高為642.64m，低于水位標高，因此，灰巖水會通過隔水層的薄弱地段向煤層充水。
（二）斷層的導水性及其對礦床充水的影響
井田內沒有斷層，在井田東南邊界外發育有石圪咀正斷層，走向N40°E，傾向南東，傾角70°，落差15~50m，延伸約10km。該正斷層雖然有一定的導水性能，但發育在井田外部，因此斷層對礦床充水的影響不大。
（三）地表水、老窯水對礦床充水的影響
井田內沒有水庫、湖泊等地表水體，在雨季大雨過后會形成短暫的洪水，對礦床的影響較大。
井田內沒有老窯分布，但鄰近地區分布有不少生產礦井及廢棄小窯，未來煤礦開采過程中要隨時注意礦井涌水量的變化情況，不能越界開采，以防老窯水對礦井充水。
（四）礦井涌水量預計
據地質資料，先期開采地段的礦坑涌水量為1251m3/d，全井田開采時形成的坑道系統礦坑涌水量為2670m3/d。設計考慮井下消防灑水后，確定礦井正常涌水量為276m3/h，最大涌水量為400m3/h。
（五）水文地質類型
酸刺溝井田的直接充水含水層為煤系地層承壓水含水層，以孔隙含水層為主，裂隙含水層次之。煤層雖位于地下水位以下，但以貧乏的大氣降水為主要充水水源，補給條件差，直接充水含水層的單位涌水量q<0.1L/s·m（q=0.00105~0.00602L/s·m），富水性微弱，導水性與透水性能差，井田內無地表水體，水文地質邊界簡單，構造簡單。因此，井田水文地質勘查類型為第二～一類第一型，裂隙～孔隙充水的水文地質條件簡單的礦床。
二、水患類型及威脅程度
1、頂板淋水
本井田首采的4號煤層位于二疊系下統山西組（P1S），該組地層系承壓水含水層，該含水層為井田的直接與主要充水含水層。含水層平均厚度30.86m，水位標高1068.00~1078.35m，單位涌水量q=0.00105~0.00256L/s·m，該含水層的富水性微弱，透水性與導水性能較差，地下水的補給條件與徑流條件差。由于受P1x下部隔水層的阻隔，該含水層與上部含水層的水力聯系較小。因此，開采4號煤頂板淋水威脅程度較小。
本井田后期開采的6上號煤層位于石炭系上統太原組（C2t）的上部，6上煤層的頂板為井田的直接與主要充水含水層。含水層平均厚度57.87m，水位標高998.55~1016.67m，單位涌水量q=0.00477~0.00602L/s·m，含水層的富水性微弱，透水性較差，地下水的補給與徑流條件均較差，因P1s下部隔水層的隔水性能較好，所以C2t與上部P1s含水層水力聯系較小。因此，開采6號煤頂板淋水威脅程度也比較小。
2、底板突水分析
本井田奧灰水位標高為+872.7～+868.8m，6煤底板標高為+960～+600m，6上煤底板標高為+980～+640m，5煤底板標高為+1020～+680m，4煤底板標高為+1040～+680m。井田西南角各煤層底板標高低于奧灰水位標高，呈帶壓開采。按煤層最低底板等高線計算，6上煤層奧灰水水壓為2.28MPa，6號煤層奧灰水水壓為2.67MPa。
1）底板防水巖柱的計算
用突水系數計算底板安全防水巖柱厚度，公式如下：

式中：Ha——底板安全防水巖柱厚度，m；
P ——煤層底板承受的奧灰水壓力，MPa；
Ts——臨界突水系數，取0.06MPa/m；
M0——開采對底板的破壞深度，一般為6~14m，設計取10m。
經計算，6煤安全防水巖柱厚度為55m，6上煤安全防水巖柱厚度為48m。
2）底板突水可能性分析
根據計算，6煤安全防水巖柱厚度為55m，即不引起底板突水的底板至奧灰頂界面間距應大于55m。而從Y03、Y12、H54、217四個鉆孔統計，6煤底板至奧灰頂界面的距離為44~75m之間，因此，6煤深部西南角附近必須采取對底板薄弱帶進行注漿加固措施才能開采；其它煤層在無斷裂等構造溝通時，一般不致造成底板突水危險，可實現安全回采。首采區所處位置煤層底板等高線均高于奧灰水位標高，不受奧灰水威脅。
3、斷層導水
根據內蒙古自治區煤田地質局117勘探隊提供的《內蒙古自治區準格爾煤田酸刺溝井田勘探報告》，井田內沒有斷層，但生產中應加強對斷層的勘探預防預報。
4、其他形式的進水
井田內部分老鉆孔封孔質量較差，將成為把各含水層的水導入到井下的通道，從而容易引發鉆孔突水事故。
三、礦井水文安全條件評價
１、對水文地質基礎資料來源及可靠性評價
本井田水文地質資料來自《內蒙古自治區準格爾煤田酸刺溝井田煤炭勘探報告》，報告基本查明了本區的水文地質條件，直接充水巖層主要為裂隙砂巖，本區應屬于以裂隙巖層為主的水文地質條件簡單類型，即二類一型。
２、水文地質勘探程度及存在問題
從整個酸刺溝井田來看，井田西部鉆孔稀少，煤層底板等高線控制不夠準確，各鉆孔揭露奧灰的較少，煤層底板至奧灰含水層的距離無法準確確定。井田西部勘探程度較低，應適當增加鉆探工作量，同時在首采區應進行三維地震勘探，詳細查明井田范圍內的構造及各含水層情況。
第二節 礦井防治水措施
結合本礦井的水文地質條件，確定采用“以防為主”的防治水措施。
一、礦井開拓、開采采取的安全保證措施
礦井首采區不受奧灰水威脅，各井筒井底標高均高于奧灰水標高。后期向深部延伸時，6煤大巷及聯絡巷不要穿6煤底板。
二、防水安全煤柱留設
井田內無斷層，設計只留設了井田境界煤柱。井田境界煤柱寬度按40m留設，境界線兩側各為20m。
三、帶壓開采防范突水預案
井田內各煤層深部為帶壓開采，但帶壓開采應采取相應的安全措施。
4煤、6及6上煤層淺部開采時主要是防止導水構造（斷層、陷落柱）突水和舊鉆孔突水，因此重點工作是加強探測，接近或通過構造時必須“先探后掘”，需要注漿時進行注漿封堵。同時對不良鉆孔摸底調查，特別是對打到奧灰層位的鉆孔必須采取注漿封孔措施，以確保不發生鉆孔透水事故。
6及6上煤層深部開采時，除防止導水構造和舊鉆孔突水外，重點是防止底板突水，應對底板薄弱帶進行注漿加固。峰峰礦區和邯鄲礦區在底板注漿加固方面積累了豐富的經驗可以借鑒。
四、井下探放水措施
1、一般要求
本礦井防治水工作的重點首先是防止奧灰突水，即預防底板隱伏陷落柱突水、未發現的斷層突水和不良鉆孔突水。探放水工作在防止突水方面起著至關重要的作用，必須堅持“有疑必探、先探后掘”的原則。
遇下列情況之一，必須制定和采取探放水措施：
⑴ 接近斷層、陷落柱時；
⑵ 接近強含水層時；
⑶ 接近未封閉或封閉不良的導水鉆孔時；
⑷ 接近各類防水煤柱或打開隔離煤柱放水時；
⑸ 接近水文地質條件復雜或水文地質條件不清的區域，或有出水征兆時。
2、探放水方法
探放水方法按《礦井水文地質規程》和《煤礦井下探放水技術規范》執行。
3、探放水設備
主要設備為TXU-150型探水鉆、WKT型坑透儀等。
五、注漿堵水措施
注漿堵水主要是封堵導水通道（導水斷層、導水陷落柱、導水裂隙、導水鉆孔）和對采煤工作面底板薄弱帶進行注漿堵水加固。
針對本礦井的具體條件，設計確定一般情況下應采用工作面注漿，注漿主材料為無機類水泥漿。
注漿鉆機型號與探水鉆機型號一致，即采用MYZ-200型。
本礦井防探水工作由掘進隊承擔。
本礦井注漿堵水的主要目標為杜絕爆發型突水事故和大水量突水事故的發生。
六、地表水的防治
工業場地位于井田中部西坪溝東側，場區豎向設計采用臺階式布置，行政福利區位于一個臺階，標高在1182.0～1199.0m之間，輔助生產區位于一個臺階，標高在1176.0～1177.5m之間，主、副斜井井口區域位于一個臺階，標高在1164.5～1168.5m之間，主斜井井口標高確定為1165.00m，副斜井井口標高確定為1168.00m。
工業場地位于自然沖溝較發育的微丘地帶，該場地高于其南側南坪溝約20～40m，且場區西北側設有截水溝，場地內雨水集中匯集后亦排入該溝，因此場地不受洪水和內澇威脅。
第三節 井下防治水安全設施
一、排水設施
1、設計依據
礦井正常涌水量 276m3/h
礦井最大涌水量 400m3/h
井口標高 +1165m
井底標高 +895m
高位水池與井口的高差 5m
排水管路沿主斜井敷設，主斜井傾角16°，斜長910m。
2. 設備選擇
工作泵的排水能力應滿足：
Q≥1.2×Q正=1.2×276=331.2m3/h
Qmax≥1.2×Q最大=1.2×400=480m3/h
選用MD500-57×6型礦用耐磨多級離心泵3臺，配YB630S2-4型防爆電動機，710kW、10kV、1480r/min。正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修。最大涌水時，兩臺工作，一臺檢修。
水泵主要技術參數如下：
水泵型號 MD500-57×6
額定流量 500m3/h
額定揚程 342m
額定效率 81%
額定轉速 1480r/min
電動機其主要技術參數如下：
電動機型號 YB630S2-4
額定功率 710kW
額定電壓 10kV
額定轉速 1480r/min
排水管路選用D273×8無縫鋼管兩趟，正常涌水時，一趟工作，一趟備用；最大涌水時，兩趟工作。排水管路沿主斜井敷設。
水泵采用無底閥排水方式，引水裝置選用ZPBG型噴射泵，以排水管路中的壓力水為能源，以消防灑水為備用能源。
主排水系統按水泵自動化設計，便于實現泵房無人值守。
為便于設備的安裝和檢修，在泵房內每臺設備上方設有固定起重梁。
水泵運行特性曲線見圖6-3-1。
水泵運行工況見表6-3-1。

3、井底水倉布置及容量
在井底6上煤輔運大巷的西側布置水倉，礦井正常涌水量為276m3/h，水倉容量按容納8h正常涌水量計算，設計布置兩條水倉，其有效容量為2210m3。水倉入口處設置了沉淀池，水倉清理采用高壓水沖攪沉泥，主排水泵排泥的清理方式。
二、安全出口設施
礦井主、副斜井和立風井，均作為礦井的安全出口。
井下主排水泵房的管子道上口標高約為+908.0m，泵房地面標高約為+900.0m，管子道上口高出泵房地面8.0m，主排水泵房與輔助運輸大巷的通道內設置有密閉門。