某煤矿矿井水灾因素分析和水害预测
第一节 矿井水文安全条件分析
一、矿井概况
某煤矿于2004年4月正式开始建井。矿井开拓方式为斜井开拓，设计生产能力为15万吨/年，服务年限为23年。矿井位于地理坐标东经106°09′29″-106°10′22″，北纬26°53′22″-26°54′59″。井田东西宽1.43公里，南北长2.97公里，面积4.247平方公里,地处XX北面。其拐点坐标见表1。本地分别居住着苗、彝、汉等民族。表1 某煤矿拐点坐标表拐点号XY A B C D 矿区内目前尚无铁路,交通运输以公路为主，321国道由矿井西边界经过。矿区至黔西县城29公里，至清镇、贵阳市分别为70、80、99公里。交通比较方便。区内气候温和湿润，雨量充沛，常年以东南风为主。地势总体趋势为西高东低，最高点位于矿井南西部，海拔为+1431.5m，最低点位于矿井南东角，海拔高为+1165m，相对高差266.5m。地表以丘陵及侵蚀盆地为主，有显著的喀斯特地貌特征。矿区内植被以灌木为主，覆盖率较高。
二、矿井开采水文地质条件
1. 水文地质特征
1）区域水文地质特征本煤矿区内碳酸盐岩层与碎屑岩层相间展布，碳酸盐岩含丰富的岩溶水，碎屑岩含少量裂隙水，第四系松散层零星分布，微含孔隙水。本区主要岩溶含水层为下三叠统夜郎组玉龙山段灰岩含水层（T1y2）、上二叠统长兴组灰岩含水层（P2c）及下二叠统茅口组灰岩含水层（P1m）。其中下三叠统夜郎组玉龙山段灰岩含水层（T1y2）在本区域范围内出露面积大，出露面积占95%以上，含较丰富的岩溶水，其补给的面积较大，主要靠大气降水通过岩溶漏斗、落水洞及溶隙等补给出，径流的途径较长。本区主要隔水层为下三叠统夜郎组沙堡湾段泥岩（T1y1）；而龙潭煤系中的灰岩属层间裂隙含水层，富水性弱，是矿井直接充水弱含水层，其煤层及其顶底板又是良好的隔水层。
2）矿区水文地质特征
⑴ 地层含隔水性区内出露的地层为下三叠统夜郎组玉龙山段（T1y2）、沙堡湾段（T1y1）、上二叠统长兴组（P2c）、龙潭组（P2l），根据其岩性组合，含、隔水性等特征划分，主要含水层为夜郎组玉龙山灰岩段（T1y2）、长兴组灰岩（P2c），隔水层为夜郎组沙堡湾段泥岩（T1y1）、龙潭组泥岩及煤层（P2l），其含隔水性与矿井可采煤层位置关系见矿井综合水文柱状图。现把各含隔水性地层分述如下：
① 夜郎组玉龙山段灰岩岩溶含水层（T1y2）以石灰岩为主，中、上部为中厚至巨厚层石灰岩，底部为薄层泥灰岩夹钙质泥岩，总厚为323米，大面积分布于矿井范围内，占矿井面积的95%以上，地表落水洞、洼地、漏斗等喀斯特岩溶现象较多，本组含水性好，含丰富的岩溶水。由于该组分布面积广，喀斯特岩溶发育，因此其岩溶水具有补给面积大，径流长及导水性强等特点。其岩溶水主要靠大气降水通过落水洞、岩溶漏斗及溶隙等补给。 ② 夜郎组沙堡湾段泥岩隔水层（T1y1）灰黑色泥岩、夹浅灰色泥灰岩，总厚8.5米，呈条带状分布于矿井西部，本组含水性弱，为较好的隔水层。
③ 长兴组灰岩岩溶含水层（P2C）灰色、灰黑色中厚至巨厚层状燧石灰岩，总厚36.7米，分布于矿井西部。本组含水性好，其岩溶水主要靠大气降水补给，由于受其分布特点的限制，其接受补给的量有限。
④ 龙潭组层间灰岩含水层及碎屑岩、煤层隔水层（P2L）：灰、深灰色泥岩、石灰岩、炭质泥岩、铝土质泥岩及煤层，总厚169.8米，呈条带状分布于矿井西部，层间含裂隙水，
本组总体含水性弱，泥岩及煤层是较好的隔水层。
⑵ 地下水的埋藏条件及补、径、排条件表层风化裂隙水（包括土壤孔隙水）：接受地表补给，赋存于地表土壤及基岩表层风化裂隙带内成为上层滞水，在地形低洼处或汇水冲沟中以泉井形式排出地表。基岩裂隙水、岩溶裂隙溶洞水主要接受大气降雨补给，并以潜水形成埋藏。夜郎组玉龙山段一部份在地形低洼处或汇水冲沟中以泉井形式排泄出地表，为当地农民饮用水源；玉龙山组大部份和长兴组由于发育岩溶裂隙、落水洞、溶洞、岩溶洼地等，大气降水在地表会迅速沿这些通道流入地下成为管道形式运移的溶洞水，沿岩层倾向向远处、低处流动，并在鸭池河边排泄出地表，由于夜郎组沙堡湾段、龙潭组泥岩为相对隔水层，含水层之间无水力联系，地下水各自以自己的裂隙、管道系统向下方河边径流并排泄。含水层各泉井点水流量观测见下表。 落水洞、泉、井点水文观测汇总表 观测点号点位（X/Y/H）层位类别流量（最小－最大）（L/S）观测日期备 注 W12977935T1ｙ井0.10－0.5003.5－03.12村民饮用水源 35615655 1275 W22977565T1ｙ泉0.28－5.5603.5－03.12 35615850 1278 W32977805T1ｙ泉0.08－2.7803.5－03.12 35616425 1298 W42977360T1ｙ井0.06－0.5603.5－03.12村民饮用水源 35615890 1315 W52976855T1ｙ井0.05－0.2803.5－03.12 35616180 1340 K12977210T1ｙ落水洞0－5.6003.5－03.12山水汇积 35615060 1218 K22978000T1ｙ落水洞0.38－8.3303.5－03.12山水、泉井水汇积 35616010 1258
⑶ 地下水理化性质未取样分析，从泉井观察，地下水为无色、清澈透明、无味，与邻近矿区水样化验对比，应属HCO3-Ca2+、Mg2+型低矿化度弱碱性水。
3）构造矿井所在的大地构造位置在“黔中隆起”。矿区构造总体呈单斜构造，区内地层大致倾向东，局部为南东向，倾角5°-30°，一般10°。区内构造以断裂为主，次一级构造发育。断层性质多为正断层，逆断层较少。目前共发现的断层有32条，其落差大于15m的有8条。其特征见下表 断 层 特 征 一 览 表 断层编号断层性质断层产状（°）落差（ｍ）备 注走向倾向倾角 F1正断层NSW90150对开采无影响 F2正断层12821880100对开采无影响 F3正断层2181287025对开采有一定影响 F4正断层2301407550对开采有很大影响 F5正断层230320°7540对开采有很大影响 F6正断层25016080200－300致使矿井南东角无价值 F7正断层110207515对开采有一定影响 F8正断层282988035对开休有较大影响。 4）矿床充水因素分析矿区为中低山侵蚀剥蚀和岩溶地貌，以南10公里为鸭池河，河面标高约为830米，为区域最低侵蚀基准面。矿区最高山顶高程1431.5米，最低高程为1165米，与河面高差分别为531.5米和265米。区内无水库、湖泊、河流，只有季节性溪沟。区内为亚热带温湿气候，年平均降雨量1006mm，4-10月为丰水季节。降雨量达858.5mm，占全年降雨量的81%。根据地表勘探及临近生产矿井收集的资料，矿井水主要为煤层顶板裂隙水、断层水、生产中的老空水、岩溶溶洞水。现分述如下：
⑴ 顶板裂隙水主要是指在矿井采掘活动中，由工作面顶板裂隙进入矿井的水，顶板裂隙水是矿井的直接充水因素，由于煤系中层间灰岩含水性较弱，因此进入矿井的水量较小，在矿井突水防治中要注意收集资料。
⑵ 断层水由于区内断层均为张性正断层，有一定的含水性和导水性，因此在采掘过程中，巷道过断层时，断层水和上覆地层的水将会沿断层破碎带进入矿井，是矿井突水防治的重点。 ⑶溶洞水由于溶洞本身含水，其补给、排泄好，采掘过程中，一旦透穿其大量的水将沿溶洞进入矿井，是矿井突水防治的重点。
⑶ 老空水随着矿井采掘活动的正常进行，上覆含水层的水将会沿垮塌裂隙进入采空区，形成老空水，并随着采空面积的增大，进入矿井的老空水也随之增大，是矿井突水防治的重点。
⑷ 老窑水根据矿井煤层赋存条件，矿区范围内可采煤层埋藏较深，未出露地表。在建井过程中，本矿工程技术人员对矿区范围内小窑进行了调查，通过采取走访当地居民及现场
踏勘等方法，矿区范围内未有当地挖烧火煤而废弃的老窑，仅有2002年林东矿务局林建一公司为某煤矿施工的一条井筒。该井筒参数为：X＝2977032.159，Y＝35615321.726，Z＝+1237.867，α＝258°，β＝25°，斜长172m，由于未揭露煤层，因此停工废弃。所以对于老窑水的防治，在我矿显得并不重要。综上所述，矿床充水水源主要为大气降水、断层水、岩溶溶洞水、龙潭组裂隙水构成矿井充水直接因素。长兴组、夜郎组玉龙山段岩溶水可通过采矿垮塌裂隙进入矿井，威胁矿井安全。根据地质资料、开采设计及安全专篇，由于我矿煤层资源量在侵蚀基准面之上，矿床水文地质条件简单，矿床地下水类型为顶板直接进水的裂隙充水矿床。
5）矿井涌水量预算
⑴ 矿井涌水实测情况某煤矿为新建煤矿，在建井过程中，某煤矿2005年、2006年均对矿井涌水量进行实测，目前，矿井正常涌水量为5m3/h，最大涌水量为12m3/h。
⑵ 矿井涌水量预计根据某煤矿涌水情况，参考太来煤矿富水系数（太来矿富水系数为0.000041），采用水文地质比拟法预计矿井涌水量。由此矿井涌水量预计情况如下：矿井一采区：正常涌水量Q1＝ 295092×0.000041＝ 12.1ｍ3/ｈ。矿井二采区：正常涌力量Q2＝ 1189186×0.000041＝ 48.76ｍ3/ｈ。矿井正常涌水量Q＝ Q1+ Q2＝ 60.86ｍ3/ｈ。最大涌水量为正常涌水量的3－4倍，即最大涌水量为182.58-243.44ｍ3/ｈ。上述涌水量预计，均为各采区采终时的涌水量，在开采前、中期小于预计涌水量。
三、矿井水文安全条件评价
1. 对水文地质基础资料来源及可靠性评价林东矿务局2003年7月提交的《某煤矿勘查地质报告》，通过1：5000水文地质填图，对区域水文地质情况、地层的富水性、矿井的充水进行分析，对老窑的分布、矿井涌水量进行调查。初步查明了区内含（隔）水层的分布、埋藏特征；初步分析了区内地表水、地下水的补、径、排关系和矿床充水因素；并根据邻区资料的类比，大致分析了矿床工程地质条件及开采技术条件，确定了矿井水文地质条件为简单类型。基本查清了矿区煤层地质特征、矿产资源储量和煤层赋存条件，为矿井设计提供了一定依据，对矿井的生产能起到一定的指导作用。
2. 水文地质勘探程度及存在的问题
（1）、《某煤矿勘查地质报告》，对溶洞分布、积水量的调查分析不够深入。 （2）、按要求对钻孔进行了封孔止水，但未进行启封试验，实为工作中的不足。因此矿井巷道掘进至钻孔附近时，一定要监测矿井水量变化，防止意外事故发生。
（3）、区内断裂构造发育，对断层含水性及导水性未查清，因此在巷道掘进至大断层附近时，要采取探放水措施，以防突（透）水事故发生。 （4）、勘探工作做得不足，未进行相应勘探阶段水、工、环地质研究和评价等。因此矿井在开采过程中必须加强水文地质勘探工作，及时掌握矿井充水水源，充水因素，涌水量，主要涌水和突出点等，从而更好地为生产服务。
第二节 矿井防治水措施
一、矿井开拓、开采所采取的安全保证措施
㈠ 矿井开拓工程位置及层位选择本矿为斜井开拓，主斜井、风井均从M9煤层顶板穿层掘进，开拓系统形成后，再进行采区巷道布置；本矿地质构造较为复杂，由于断层的影响，致使一采区的煤层倾角较小（近水平），因此，向南布置一采区回风大巷和运输大巷，最后形成采煤工作面进行回采。划分为一个水平，二个采区开拓全井田。 (具体见采区巷道布置及机械设备配备平、剖面图)。在1100m水平布置水泵房和主、副水仓。
㈡ 采掘工程所采取的防水措施
1. 防治水计划
⑴ 查明矿区和矿井的水文地质条件，编制中长期防治水规划和年度防治水计划，并组
织实施。
⑵定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑情况，并在井上、下工程对照图上标出其井田位置、开采范围、开采年限、积水情况。
⑶ 每年雨季前，对防治水工作进行全面检查。制定雨季防治水措施，并组织抢险队伍，储备足够的防洪抢险物资。
2. 地面防治水
⑴查清了矿区及其附近地面水流系统的汇水、渗漏情况，掌握当地历年降水量和最高洪水水位资料，建立疏水、防水和排水系统。
⑵ 工业场地内建筑物，修筑了防洪沟渠或采取其它防、排水措施。
⑶ 鉴于井口附近及塌陷区内的地表水体有可能溃入井下，因此，应遵守下列规定： ① 严禁开采煤层露头线的防水煤柱。
② 容易积水的地点均修筑沟渠排泄积水。修筑沟渠时，避开了露头、裂隙和导水岩层，特别是低洼地点不能修筑沟渠排水时，采取了填平压实，防止积水进入井下。
③ 排到地面的矿井水，经妥善处理，避免了再次渗入井下。
④ 对漏水的排洪沟，作了及时堵漏，地面裂缝和塌陷均作了填塞。
二、防水煤（岩）柱留设在受水害威胁的地方，预留一定宽度和高度的煤层不采，使工作面和水体保持一定的距离，以防止地下水或其它水源溃入工作面，所留的煤（岩）柱就叫防水煤（岩）柱。
㈠ 防水煤（岩）柱的种类
根据防水煤（岩）柱所处的位置，可以分成不同的种类。根据该矿井的实际情况，需留设以下防水煤（岩）柱：
1. 断层防水煤（岩）柱在导水或含水断层两侧，为防止断层水溃入井下而留设的煤柱；当断层使煤层与强含水层接触或接近时，为防止含水层水溃入井下而留设的煤柱。
2. 导水钻孔防水煤柱勘探阶段施工的钻孔，往往能贯穿若干含水层，若封孔质量不好，则人为地沟通了本来没有水力联系的含水层，使煤层开采的充水条件复杂化，为防止上覆含水层中的水溃入井下而留设的煤柱称为钻孔防水煤柱。在本区域内暂无导水钻孔存在。 3. 相邻水平或采区边界防水煤（岩）柱。 ㈡ 防水煤（岩）柱的留设
1. 断层防水煤（岩）柱的留设断层破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的联系通道。断层的某一区段是否导水，导水性强弱等情况取决于两侧岩层的接触关系、含水层的水压以及采矿活动对断层的重复破坏作用。因此，在没有掌握断层各区段的导水性时，应把整个断层作为导水断层对待。煤层直接和富含水层、导水断层接触，顶底板无突水可能，即煤柱主要是顺层受压时，常以下述计算公式计算煤柱宽度：
L＝0.5KM
式中：L——顺层防水煤柱宽度（m）；
M——煤厚或采高（m），M9煤层为2.6m。
KP——煤的抗张强度（kgf/cm2），KP取10kgf/cm2；
P——水头压力（kgf/cm2），P＝50kgf/cm2；
K——安全系数，一般取2～5，本设计取5。则： L＝0.5×5×2.6 ＝25.2（m）
根据上述计算，开采时断层两侧我矿规定各留25m防水煤柱。
2. 相邻水平或采区边界防水煤（岩）柱的留设水文地质条件简单到中等型的矿井，可用下述公式计算煤柱宽度：
L＝0.5KM
式中：L——顺层防水煤柱宽度（m）；
M——煤厚或采高（m），M9煤层为2.6m。
KP——煤的抗张强度（kgf/cm2），KP＝10kgf/cm2； P——水头压力（kgf/cm2），P＝50kgf/cm2； K——安全系数，一般取4～10，本
设计取7。则： L＝0.5×7×2.6 ＝35.2（m）
根据上述公式，我矿相邻水平或采区边界留35m煤柱。
三．井下探放水措施
㈠ 探放水原则 某煤矿在生产过程中，遇下列情况之一时，首先划定探水红线，进行探放水。
1. 接近水淹区域时。
2. 接近废弃井巷、老空时。 3. 接近导水断层时。 4. 接近溶洞时。
㈡ 探放水设备
⑴ 探放水设备选择依据矿井用一个采煤工作面保证矿井年生产能力，正常生产期间配备三个掘进头。根据隔水性好等因素，确定超前探放水距离为不小于20m。因我国井下探放设备正处于试验阶段，故本矿井配备目前国内较先进的ZYG-150D型全液压钻机及配套设备。
⑵ 井下探放水设备型号及数量井下钻探设备选用ZYG-150D型全液压钻机3台，配备金刚石复合片（PDC）钻头，其主要技术参数：钻孔深度（m）：120－150；钻杆直径（mm）：42. 50；钻孔倾角（°）：0～90；输出转速（r/min）：110. 300；输出钮矩（N.m）：530；功率（kw）：15；主机外形尺寸（mm）：2107×410×460。
㈢ 探放水措施
1. 探水起点
⑴ 根据开采设计、安全专篇，矿井水害清楚，压力不小于1Mpa时，探水线至积水区的最小距离：煤层中不小于30m，岩层不小于20m；情况不清楚，探水线至推断积水区的距离不小于60m；
⑵ 掘进巷道附近有断层或陷落柱时，探水线至预计煤柱线的距离不小于60m；
2. 钻孔深度及超前距离探水钻孔眼底至采掘工作面的距离不得小于20m的超前距离（薄煤层不得小于6m，岩层中不得小于5-10m），钻孔深一般在40m左右，如此一次打孔后可连续采掘20-30m。
⑴ 钻孔直径从探、排有效又防止冲垮煤壁和放水过大的原则出发，孔径以不大于75mm为宜。
⑵ 钻孔布置与孔数根据地质条件和积水区的位置，以能保持安全岩柱厚度，防止漏探和实现安全、经济、快速为原则来确定钻孔布置方式和孔数。根据我矿水文地质情况，对于工作面前方和左右两侧均受水威胁时，钻孔按扇形布置，当积水区肯定在一侧时，钻可按半扇形布置。探老塘水，探后掘进停掘处的钻孔眼距不得超过3m，以防漏探。探断层水，开孔位置必须在防水煤柱外和断层应力影响带以外，以防煤岩破碎出水后不易控制。钻孔个数以保证必要在密度为原则，一般不得少于3个。
3. 探放水的安全措施
⑴ 探水前应加固探水工作区支架，背好帮顶，以免压力水冲垮煤壁和支架。
⑵ 清理巷道，保证安全撤退路线畅通无阻。
⑶ 保证水沟畅通，并有适当的坡度和断面，水仓和排水设备要有足够的容量和能力。 ⑷ 探水地点安装电话，与所有可能受水威胁的工作地点连通，并事先拟定好撤退路线，以防意外事故的发生。