酸刺溝礦井初步設(shè)計(jì)安全專(zhuān)篇之礦井防治水

第六章 礦井防治水
第一節(jié) 礦井水文安全條件分析
一、礦井水文地質(zhì)條件
（一）含水層及隔水層
1、第四系松散層潛水含水層
全區(qū)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(gòu)成松散層潛水的主要含水層。根據(jù)水文地質(zhì)填圖水井調(diào)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(bǔ)給條件差，潛水含水層與下部承壓水含水層的水力聯(lián)系較小，而與地表短暫的洪水水力聯(lián)系密切。
2、第三系（N2）半膠結(jié)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(gè)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(nèi)分布不太連續(xù)，只能起局部隔水的作用，隔水性能相對(duì)較差。
3、石炭系～二疊系碎屑巖類(lèi)承壓水含水層
（1）二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）：椐鄰區(qū)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(tǒng)上石盒子組（P2s）：據(jù)鄰區(qū)資料，泉流量Q=0.01~3.5L/s，單位涌水量q<0.01L/s·m，井田內(nèi)大部分被剝蝕。
（3）二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）：出露在井田東南部溝谷兩側(cè)，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(biāo)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(qū)發(fā)育，連續(xù)性好，隔水層好，是良好的隔水層。
（4）二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）：分布廣泛，全區(qū)賦存。根據(jù)Y11、Y12號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)成果：含水層厚度30.40~31.31m，平均30.86m，地下水位標(biāo)高埋深53.50~58.35m，水位標(biāo)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(shù)K=0.00328~0.00631m/d，含水層的富水性微弱，透水性與導(dǎo)水性能較差，地下水的補(bǔ)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(lián)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(tǒng)太原組（C2t）：分布廣泛，全區(qū)賦存。根據(jù)Y11、Y12號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)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(biāo)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(shù)k=0.00738~0.00845m/d，含水層的富水性微弱，透水性較差，水質(zhì)良好，地下水的補(bǔ)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(tǒng)本溪組（C2b）：分布廣泛，平均厚度15.97m。據(jù)鄰區(qū)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(duì)隔水層，該地質(zhì)厚度穩(wěn)定，分布連續(xù)，因此隔水性能良好。
4、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2m）石灰?guī)r巖溶承壓水含水層
地下水位標(biāo)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(fā)育地段的富水性強(qiáng)。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(lián)系較小。但井田內(nèi)煤層底板最低標(biāo)高為642.64m，低于水位標(biāo)高，因此，灰?guī)r水會(huì)通過(guò)隔水層的薄弱地段向煤層充水。
（二）斷層的導(dǎo)水性及其對(duì)礦床充水的影響
井田內(nèi)沒(méi)有斷層，在井田東南邊界外發(fā)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(dǎo)水性能，但發(fā)育在井田外部，因此斷層對(duì)礦床充水的影響不大。
（三）地表水、老窯水對(duì)礦床充水的影響
井田內(nèi)沒(méi)有水庫(kù)、湖泊等地表水體，在雨季大雨過(guò)后會(huì)形成短暫的洪水，對(duì)礦床的影響較大。
井田內(nèi)沒(méi)有老窯分布，但鄰近地區(qū)分布有不少生產(chǎn)礦井及廢棄小窯，未來(lái)煤礦開(kāi)采過(guò)程中要隨時(shí)注意礦井涌水量的變化情況，不能越界開(kāi)采，以防老窯水對(duì)礦井充水。
（四）礦井涌水量預(yù)計(jì)
據(jù)地質(zhì)資料，先期開(kāi)采地段的礦坑涌水量為1251m3/d，全井田開(kāi)采時(shí)形成的坑道系統(tǒng)礦坑涌水量為2670m3/d。設(shè)計(jì)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(zhì)類(lèi)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(bǔ)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(dǎo)水性與透水性能差，井田內(nèi)無(wú)地表水體，水文地質(zhì)邊界簡(jiǎn)單，構(gòu)造簡(jiǎn)單。因此，井田水文地質(zhì)勘查類(lèi)型為第二～一類(lèi)第一型，裂隙～孔隙充水的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床。
二、水患類(lèi)型及威脅程度
1、頂板淋水
本井田首采的4號(hào)煤層位于二疊系下統(tǒng)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(biāo)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(dǎo)水性能較差，地下水的補(bǔ)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(lián)系較小。因此，開(kāi)采4號(hào)煤頂板淋水威脅程度較小。
本井田后期開(kāi)采的6上號(hào)煤層位于石炭系上統(tǒng)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(biāo)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(bǔ)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(lián)系較小。因此，開(kāi)采6號(hào)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(biāo)高為+872.7～+868.8m，6煤底板標(biāo)高為+960～+600m，6上煤底板標(biāo)高為+980～+640m，5煤底板標(biāo)高為+1020～+680m，4煤底板標(biāo)高為+1040～+680m。井田西南角各煤層底板標(biāo)高低于奧灰水位標(biāo)高，呈帶壓開(kāi)采。按煤層最低底板等高線計(jì)算，6上煤層奧灰水水壓為2.28MPa，6號(hào)煤層奧灰水水壓為2.67MPa。
1）底板防水巖柱的計(jì)算
用突水系數(shù)計(jì)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(shù)，取0.06MPa/m；
M0——開(kāi)采對(duì)底板的破壞深度，一般為6~14m，設(shè)計(jì)取10m。
經(jīng)計(jì)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(jù)計(jì)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(yīng)大于55m。而從Y03、Y12、H54、217四個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，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(duì)底板薄弱帶進(jìn)行注漿加固措施才能開(kāi)采；其它煤層在無(wú)斷裂等構(gòu)造溝通時(shí)，一般不致造成底板突水危險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)安全回采。首采區(qū)所處位置煤層底板等高線均高于奧灰水位標(biāo)高，不受奧灰水威脅。
3、斷層導(dǎo)水
根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局117勘探隊(duì)提供的《內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田酸刺溝井田勘探報(bào)告》，井田內(nèi)沒(méi)有斷層，但生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)斷層的勘探預(yù)防預(yù)報(bào)。
4、其他形式的進(jìn)水
井田內(nèi)部分老鉆孔封孔質(zhì)量較差，將成為把各含水層的水導(dǎo)入到井下的通道，從而容易引發(fā)鉆孔突水事故。
三、礦井水文安全條件評(píng)價(jià)
１、對(duì)水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料來(lái)源及可靠性評(píng)價(jià)
本井田水文地質(zhì)資料來(lái)自《內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田酸刺溝井田煤炭勘探報(bào)告》，報(bào)告基本查明了本區(qū)的水文地質(zhì)條件，直接充水巖層主要為裂隙砂巖，本區(qū)應(yīng)屬于以裂隙巖層為主的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單類(lèi)型，即二類(lèi)一型。
２、水文地質(zhì)勘探程度及存在問(wèn)題
從整個(gè)酸刺溝井田來(lái)看，井田西部鉆孔稀少，煤層底板等高線控制不夠準(zhǔn)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(wú)法準(zhǔn)確確定。井田西部勘探程度較低，應(yīng)適當(dāng)增加鉆探工作量，同時(shí)在首采區(qū)應(yīng)進(jìn)行三維地震勘探，詳細(xì)查明井田范圍內(nèi)的構(gòu)造及各含水層情況。
第二節(jié) 礦井防治水措施
結(jié)合本礦井的水文地質(zhì)條件，確定采用“以防為主”的防治水措施。
一、礦井開(kāi)拓、開(kāi)采采取的安全保證措施
礦井首采區(qū)不受奧灰水威脅，各井筒井底標(biāo)高均高于奧灰水標(biāo)高。后期向深部延伸時(shí)，6煤大巷及聯(lián)絡(luò)巷不要穿6煤底板。
二、防水安全煤柱留設(shè)
井田內(nèi)無(wú)斷層，設(shè)計(jì)只留設(shè)了井田境界煤柱。井田境界煤柱寬度按40m留設(shè)，境界線兩側(cè)各為20m。
三、帶壓開(kāi)采防范突水預(yù)案
井田內(nèi)各煤層深部為帶壓開(kāi)采，但帶壓開(kāi)采應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施。
4煤、6及6上煤層淺部開(kāi)采時(shí)主要是防止導(dǎo)水構(gòu)造（斷層、陷落柱）突水和舊鉆孔突水，因此重點(diǎn)工作是加強(qiáng)探測(cè)，接近或通過(guò)構(gòu)造時(shí)必須“先探后掘”，需要注漿時(shí)進(jìn)行注漿封堵。同時(shí)對(duì)不良鉆孔摸底調(diào)查，特別是對(duì)打到奧灰層位的鉆孔必須采取注漿封孔措施，以確保不發(fā)生鉆孔透水事故。
6及6上煤層深部開(kāi)采時(shí)，除防止導(dǎo)水構(gòu)造和舊鉆孔突水外，重點(diǎn)是防止底板突水，應(yīng)對(duì)底板薄弱帶進(jìn)行注漿加固。峰峰礦區(qū)和邯鄲礦區(qū)在底板注漿加固方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)首先是防止奧灰突水，即預(yù)防底板隱伏陷落柱突水、未發(fā)現(xiàn)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(guān)重要的作用，必須堅(jiān)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(shí)；
⑵ 接近強(qiáng)含水層時(shí)；
⑶ 接近未封閉或封閉不良的導(dǎo)水鉆孔時(shí)；
⑷ 接近各類(lèi)防水煤柱或打開(kāi)隔離煤柱放水時(shí)；
⑸ 接近水文地質(zhì)條件復(fù)雜或水文地質(zhì)條件不清的區(qū)域，或有出水征兆時(shí)。
2、探放水方法
探放水方法按《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》和《煤礦井下探放水技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。
3、探放水設(shè)備
主要設(shè)備為T(mén)XU-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(dǎo)水通道（導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱、導(dǎo)水裂隙、導(dǎo)水鉆孔）和對(duì)采煤工作面底板薄弱帶進(jìn)行注漿堵水加固。
針對(duì)本礦井的具體條件，設(shè)計(jì)確定一般情況下應(yīng)采用工作面注漿，注漿主材料為無(wú)機(jī)類(lèi)水泥漿。
注漿鉆機(jī)型號(hào)與探水鉆機(jī)型號(hào)一致，即采用MYZ-200型。
本礦井防探水工作由掘進(jìn)隊(duì)承擔(dān)。
本礦井注漿堵水的主要目標(biāo)為杜絕爆發(fā)型突水事故和大水量突水事故的發(fā)生。
六、地表水的防治
工業(yè)場(chǎng)地位于井田中部西坪溝東側(cè)，場(chǎng)區(qū)豎向設(shè)計(jì)采用臺(tái)階式布置，行政福利區(qū)位于一個(gè)臺(tái)階，標(biāo)高在1182.0～1199.0m之間，輔助生產(chǎn)區(qū)位于一個(gè)臺(tái)階，標(biāo)高在1176.0～1177.5m之間，主、副斜井井口區(qū)域位于一個(gè)臺(tái)階，標(biāo)高在1164.5～1168.5m之間，主斜井井口標(biāo)高確定為1165.00m，副斜井井口標(biāo)高確定為1168.00m。
工業(yè)場(chǎng)地位于自然沖溝較發(fā)育的微丘地帶，該場(chǎng)地高于其南側(cè)南坪溝約20～40m，且場(chǎng)區(qū)西北側(cè)設(shè)有截水溝，場(chǎng)地內(nèi)雨水集中匯集后亦排入該溝，因此場(chǎng)地不受洪水和內(nèi)澇威脅。
第三節(jié) 井下防治水安全設(shè)施
一、排水設(shè)施
1、設(shè)計(jì)依據(jù)
礦井正常涌水量 276m3/h
礦井最大涌水量 400m3/h
井口標(biāo)高 +1165m
井底標(biāo)高 +895m
高位水池與井口的高差 5m
排水管路沿主斜井敷設(shè)，主斜井傾角16°，斜長(zhǎng)910m。
2. 設(shè)備選擇
工作泵的排水能力應(yīng)滿(mǎn)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(jí)離心泵3臺(tái)，配YB630S2-4型防爆電動(dòng)機(jī)，710kW、10kV、1480r/min。正常涌水時(shí)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)檢修。最大涌水時(shí)，兩臺(tái)工作，一臺(tái)檢修。
水泵主要技術(shù)參數(shù)如下：
水泵型號(hào) MD500-57×6
額定流量 500m3/h
額定揚(yáng)程 342m
額定效率 81%
額定轉(zhuǎn)速 1480r/min
電動(dòng)機(jī)其主要技術(shù)參數(shù)如下：
電動(dòng)機(jī)型號(hào) YB630S2-4
額定功率 710kW
額定電壓 10kV
額定轉(zhuǎn)速 1480r/min
排水管路選用D273×8無(wú)縫鋼管兩趟，正常涌水時(shí)，一趟工作，一趟備用；最大涌水時(shí)，兩趟工作。排水管路沿主斜井敷設(shè)。
水泵采用無(wú)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(tǒng)按水泵自動(dòng)化設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)泵房無(wú)人值守。
為便于設(shè)備的安裝和檢修，在泵房?jī)?nèi)每臺(tái)設(shè)備上方設(shè)有固定起重梁。
水泵運(yùn)行特性曲線見(jiàn)圖6-3-1。
水泵運(yùn)行工況見(jiàn)表6-3-1。

3、井底水倉(cāng)布置及容量
在井底6上煤輔運(yùn)大巷的西側(cè)布置水倉(cāng)，礦井正常涌水量為276m3/h，水倉(cāng)容量按容納8h正常涌水量計(jì)算，設(shè)計(jì)布置兩條水倉(cāng)，其有效容量為2210m3。水倉(cāng)入口處設(shè)置了沉淀池，水倉(cāng)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(shè)施
礦井主、副斜井和立風(fēng)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(biāo)高約為+908.0m，泵房地面標(biāo)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(yùn)輸大巷的通道內(nèi)設(shè)置有密閉門(mén)。