鎮(zhèn)城底礦東二采區(qū)下組煤開(kāi)采防治水措施
1、采區(qū)概況
東二采區(qū)地表位于城家曲和陰家溝一帶，位于井田東北角，東二采區(qū)地表溝谷縱橫。地形最高點(diǎn)在搶風(fēng)梁附近，標(biāo)高在1200米；最低點(diǎn)在采區(qū)北部的汾河沿岸附近，標(biāo)高在1000米。2.3#煤蓋層厚度90-360米，8#煤蓋層厚度160-430米?，F(xiàn)上組煤已采空，采空積水較多。
東二采區(qū)總的構(gòu)造形態(tài)為南傾伏的復(fù)式向斜構(gòu)造，北部較高，南部較低，區(qū)內(nèi)地層走向變化較大，地層傾角在4-18度之間，平均9度，區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱發(fā)育，到目前為止，開(kāi)采2.3#煤共揭露大于3.0米斷層30條，陷落柱24個(gè)。采區(qū)下組8#煤層厚度為1.70-4.98米，平均為3.30米。東北部煤層較薄，約2.2米左右，西部、南部較厚。全區(qū)煤層均可采，屬穩(wěn)定煤層，含1-2層夾矸。
2、采區(qū)水文地質(zhì)條件
2.1區(qū)域概況
太原西山東山地區(qū)和太原盆地構(gòu)成一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，三者之間有著一定的水力聯(lián)系，東、西山地區(qū)地下水向太原盆地匯集，除部分水量由大泉排泄外，其余部分向南運(yùn)移。但由于彼此之間構(gòu)造格局的不同，邊界條件的差異，各自又為次級(jí)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，鎮(zhèn)城底礦井田就處在太原西山地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給逕流區(qū)。太原西山區(qū)域地下水可分為四種類型:奧陶巖溶裂隙水；汾河及大溝谷中第四系沖積層的孔隙水；石炭二迭系風(fēng)化裂隙潛水及石炭二迭系薄層灰?guī)r，砂巖裂隙承壓水。其中以?shī)W陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水為主。
本井田處于馬蘭向斜東翼，奧陶系地層在井田北部和西北部外圍廣泛出露，向區(qū)內(nèi)埋藏漸深。與掩蓋區(qū)比較，露頭區(qū)傾角一般顯著變陡，巖溶也較發(fā)育，其巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，溶洞較少。鎮(zhèn)城底井田及周邊鉆孔揭露奧灰?guī)r溶水顯示，其外圍富水性較好，向井田南及東南部逐漸變?nèi)酰貏e是奧陶系峰峰組，富水地段巖性以石灰?guī)r為主。制約古交礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水組的含水性主要取決于其埋藏深度,即標(biāo)高愈高,透水性、含水性愈強(qiáng),反之則弱;其次為構(gòu)造和巖性條件。據(jù)區(qū)域資料,奧陶系頂面標(biāo)高低于550m者含水性較弱,低于470m者不含水。
2.2含水巖組的劃分及其特征
鎮(zhèn)城底礦地處西山煤田西北邊緣，地貌表現(xiàn)為中低山，地表切割強(qiáng)烈。地勢(shì)西南高東北低,地層總體上為向東南傾伏的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)最大的河流汾河從井田北部流過(guò)，區(qū)內(nèi)陰家溝、歇馬溝季節(jié)性河流由西南向北東匯入汾河。依據(jù)本區(qū)地層發(fā)育狀況及其水文地質(zhì)特征，可將研究區(qū)地下水劃分為奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組、太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組、山西組砂巖裂隙含水巖組、及采空區(qū)上部砂礫巖裂隙含水巖組。
2.2.1奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組
本含水巖組是礦區(qū)的間接充水含水層，主要有中奧陶統(tǒng)峰峰組及上馬家溝組。
2.2.1.1奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙含水巖組
本組平行不整合于本溪組之下,厚29.75～157.60m，平均95.32m，分為上、下兩段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、灰?guī)r及石膏，由于泥質(zhì)含量高，巖溶裂隙不發(fā)育，一般可視為隔水層；上段主要為石灰?guī)r、泥灰?guī)r，厚約60m，該段長(zhǎng)期處于剝蝕作用下，裂隙充填泥土較多，影響巖溶發(fā)育，由于所處位置不同，受影響的程度也不同，因此使得其富水性差異較大，如井田北部峰峰組含水性表現(xiàn)為強(qiáng)，南部弱，甚至不含水。該組水壓標(biāo)高830～885m，單位涌水量0.21～11.63L/s.m，滲透系數(shù)0.418～38.66m/d，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4·HCO3-Ca·Mg型，礦化度377-641mg/L，水溫13～14℃。
本組含水性與其埋藏深度關(guān)系極其密切,埋藏愈淺,巖溶裂隙愈發(fā)育，含水也就愈豐富;反之則愈少。如井田北界外的Z-9號(hào)孔,O2f埋藏深度182.95m，巖溶發(fā)育，含水性好，單位涌水量（q）值達(dá)7.91L/s.m，滲透系數(shù)（K）值24.38m/d；而埋藏深的GS-13-2、416孔，巖溶不甚發(fā)育，僅有少量蜂窩狀溶洞，含水性很差，q值最大僅0.118L/s.m，K值最大0.481m/d，并且GS-14號(hào)孔O2f不含水。總之本組含水性因地而異，相差懸殊，富水性南北差異性較大，東南部地段甚至可視作非含水層。
2.2.1.2奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙含水巖組
本組平均厚度226.04m，分為上、中、下三段。下段為角礫狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾薄層石膏，厚40m左右，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，為相對(duì)隔水層；中段主要為豹皮狀厚層石灰?guī)r夾薄層白云質(zhì)灰?guī)r，平均厚100.20m，巖溶裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)中水位、水量有變化，富水性較強(qiáng)；上段主要為石灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，平均89.81m，巖溶裂隙發(fā)育，大部分鉆孔揭露該層時(shí)均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，水位急劇下降，消耗量增加，本段是該組主要含水層段，富水性強(qiáng)。本組水壓標(biāo)高886.551～896.467m，單位涌水量0.67～2.72L/s.m,滲透系數(shù)1.042～2.72m/d, 水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca·Mg型，其中GS-13-2為SO4·HCO3-Ca·Mg型，礦化度311～409mg/L，水溫13～14℃。
2.2.2太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組
主要由L1、K2、L4三層石灰?guī)r組成,其中以K2最厚，平均3.02m，質(zhì)純，為主要含水層；L1平均厚1.10m，L4平均厚1.80m，不甚穩(wěn)定，巖性又常為泥灰?guī)r，因此含水性較差。本組頂部在區(qū)內(nèi)西北出露，裂隙、巖溶不甚發(fā)育，透水性及含水性隨之亦差，絕大部分鉆孔揭露時(shí)，水位及消耗量變化不大，據(jù)810號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，q值0.064～0.065L/s.m，K值0.393m/d，水壓標(biāo)高1021.43m；鄰區(qū)416、417孔q值分別為<0.00056L/s.m和0.00022L/s.m。據(jù)416、417孔水質(zhì)分析成果，水質(zhì)類型為HCO3-Na型水，礦化度343～375mg/L（表3-3）。
2.2.3 山西組砂巖裂隙含水巖組
本組含水層主要是K3砂巖含水層。K3雖巖性及厚度變化大，但在絕大部分面積內(nèi)仍存在，厚度0.35～16.94m，平均5.72m。巖性為中—粗砂巖或含礫砂巖，膠結(jié)較松散。區(qū)內(nèi)抽水試驗(yàn)資料僅有810號(hào)鉆孔，其q值0.0548～0.07 L/s.m，K值0.335m/d，水壓標(biāo)高1019.36m。水質(zhì)類型HCO3-Na型，礦化度383mg/L。
2.2.4 采空區(qū)積水
本組為采空區(qū)上部厚層砂巖、沖積層組成的含水層，由于上組煤的開(kāi)采巖層垮落形成的采空區(qū)積水，本層由于滲透性強(qiáng)，極易接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，本層水質(zhì)為采空積水。
2.3 隔水層
各含水層之間有良好的隔水層。10號(hào)煤至奧陶系中統(tǒng)頂面隔水層段由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及薄層石灰?guī)r、鋁土泥巖組成，厚度25.08~77.10m，平均厚度60.27m。正常情況下，上部地下水與奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r地下水無(wú)水力聯(lián)系。
峰峰組一段隔水層段由泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r、石膏等組成，厚度5.85~70.20m，平均厚度37.73m。從水質(zhì)類型來(lái)看，峰峰組二段含水層的水質(zhì)以硫酸型為主，而上馬家溝組以重碳酸型為主，兩段含水層無(wú)水力聯(lián)系，說(shuō)明峰峰組一段起到一定的隔水作用。
2.4構(gòu)造導(dǎo)水情況
本區(qū)斷層多為壓扭性結(jié)構(gòu)面，斷層帶一般不寬，并且其中的斷層角礫互相擠壓緊密，尤其是穿過(guò)石盒子組的斷層帶，以泥巖為主，常形成不透水的隔水墻。
根據(jù)井田發(fā)育和井下揭露陷落柱統(tǒng)計(jì)，其陷落柱膠結(jié)情況大部分為松散狀，含水性較差，以致無(wú)水，只有少量的滲水和淋水，說(shuō)明陷落柱充填物的重力可抵御奧灰水的上升，且水質(zhì)分析資料也顯示，其類型為HCO3·Cl—Na型，說(shuō)明水源來(lái)自煤系地層，與奧灰?guī)r溶水無(wú)關(guān)，因此，井田開(kāi)采上組煤基本不會(huì)受到奧灰水的影響；下組煤由于承受的水壓力增大和隔水層厚度的減少，以及受大面積采動(dòng)，地應(yīng)力重新分布等因素的影響，構(gòu)造帶垂向上的導(dǎo)水性將有所改善，因而地下水具有通過(guò)構(gòu)造的薄弱部位上升的可能性，對(duì)礦井形成威脅。
綜上所述，礦井開(kāi)采下組8號(hào)煤時(shí)，受水壓力、隔水層厚度以及采動(dòng)、地應(yīng)力等因素的影響，奧灰水具有沿構(gòu)造薄弱部位上升的可能性，應(yīng)在一定的防治水措施下進(jìn)行帶壓開(kāi)采。
3、充水因素
根據(jù)本采區(qū)的水文地質(zhì)條件，8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下，對(duì)礦井充水的主要水源有以下幾個(gè)：
3.1、采空區(qū)上部砂礫巖裂隙含水巖組
上組煤采空積水本區(qū)上組共采空約765000平方米，預(yù)計(jì)積水量約80000-150000米3。
3.2、山西組砂巖裂隙含水巖組
山西組K3砂巖含水組：厚度4米左右，單位涌水量0.004-0.0548升/秒，水位標(biāo)高為1039.36米，是8#煤開(kāi)采的間接充水因素。
3.3、太原組石灰?guī)r巖溶含水巖組
太原組石灰?guī)rL1、K2、L4石灰?guī)r埋藏較淺，距汾河較近，含水性好，是工作面開(kāi)采的直接充水因素。在掘進(jìn)中觀測(cè)L1石灰?guī)r的正常涌水量約為1米3/小時(shí)，K2石灰?guī)r的正常涌水量約為2米3/小時(shí)。
3.4、奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組
奧陶系石灰?guī)r含水組：該含水組為本區(qū)主要含水組，是礦井潛在的充水因素，以裂隙巖溶水為主，本區(qū)2.3煤開(kāi)采中巖溶發(fā)育，又距汾河近，加之?dāng)鄬影l(fā)育，含水性好。據(jù)井田834鉆孔資料，奧灰水水位標(biāo)高為892-898米，單位涌水量4.43-10.56升/秒，滲透系數(shù)11.843米/日，水位降0.12-4米。
4、預(yù)計(jì)涌水量
東二采區(qū)工作面L1、K2、L4石灰?guī)r的正常涌水量在10-20m3/h左右，工作面隨著開(kāi)采面積的增大，涌水量也會(huì)隨著增大，根據(jù)相鄰采區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)正常涌水量在20-40m3/h左右，工作面配備足夠的排水設(shè)施，能排出工作面的正常涌水量。但在構(gòu)造導(dǎo)水的情況下，奧灰水最大涌水量可達(dá)300-500m3/h。采區(qū)排水設(shè)施滿足不了排水的要求。
5、采區(qū)的具體防治措施
5.1、采空積水的防治
5.1.1上組煤采空積水的防治
為防治上組煤采空積水隨著下組煤回采的推進(jìn)沿頂板裂隙涌入下組煤工作面，必須采取探放措施，在工作面回采前進(jìn)行提前探放，無(wú)水后方可回采施工。
5.1.2同層采空積水的防治
我礦煤層傾角較小，屬近水平煤層。由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜銜接相對(duì)緊張，針對(duì)這一現(xiàn)狀，工作面掘進(jìn)時(shí)，對(duì)同層8#煤采空積水嚴(yán)格按照規(guī)程堅(jiān)持 “預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，自警戒線開(kāi)始探放在確保工作面水頭壓力不大于0.15MPa的前提下，每20-30米探放一次，（視煤層傾角而定），工作面形成時(shí)，相鄰采空積水的探放工作也隨之而完成。從而避免了集中探放因水壓過(guò)大造成安全隱患或水量大而影響工作面銜接。
5.2、太原組頂板灰?guī)r含水層的防治
根據(jù)我礦其它采區(qū)8#煤頂板灰?guī)r含水層的出水情況結(jié)合18304掘進(jìn)工作面L1、K2、L4石灰?guī)r的出水情況，預(yù)計(jì)頂板灰?guī)r含水層出水量L1灰?guī)r正常涌水量預(yù)計(jì)不超過(guò)1m3/h，K2灰?guī)r正常涌水量預(yù)計(jì)不超過(guò)2m3/h，在回采中頂板冒落導(dǎo)通頂板灰?guī)r含水層預(yù)計(jì)出水量會(huì)增大，針對(duì)出水情況工作面配備足夠的排水設(shè)施，可確保安全。
5.3、奧灰水的防治
5.3.1、帶壓開(kāi)采可行性分析：
東二采區(qū)8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下，能否帶壓開(kāi)采是必經(jīng)認(rèn)真分析研究的問(wèn)題。現(xiàn)從突水系數(shù)和隔水層厚度兩方面進(jìn)行計(jì)算分析：
5.3.1.1、突水系數(shù)分析：
本區(qū)奧灰水位取900米，8#煤層隔水層厚度取70米， 8#煤層最低標(biāo)高730米。根據(jù)突水系數(shù)公式：Ts=P/M
Ts=2.4/70=0.034 MPa/m
從突水系數(shù)看小于0.06MPa/m，符合《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》的要求，但該區(qū)構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造的導(dǎo)水不容忽視。
5.3.1.2、隔水層厚度分析：
本區(qū)8#煤層標(biāo)高點(diǎn)取730米，根據(jù)計(jì)算公式：
t————安全隔水層厚度（m）
l————采掘工作面的最大寬度（m=20）
r————底板隔水層的平均重度（0.023 MN/ m2）
Kp————隔水層的平均抗張強(qiáng)度MPa取0.20
H————隔水層底板承受的最大水頭MPa取2.40
代入公式計(jì)算得：t安=38.82米，而實(shí)際隔水層厚度為70米，大于安全隔水層厚度，因此在沒(méi)有構(gòu)造導(dǎo)水的情況下，是可以帶壓開(kāi)采的。
5.3.2、奧灰水的具體防治措施
5.3.2.1、目前在帶壓開(kāi)采區(qū)域僅能對(duì)已知構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，對(duì)隱伏構(gòu)造措手無(wú)策，這樣隱伏構(gòu)造成為重大隱患，無(wú)法排除。因此我礦下一步計(jì)劃引進(jìn)直流電法儀，直流電法儀的優(yōu)勢(shì)在于探明60-80米范圍內(nèi)有無(wú)含水體，在帶壓開(kāi)采區(qū)的所有掘進(jìn)巷道全部進(jìn)行超前物探。嚴(yán)格按照規(guī)程堅(jiān)持 “預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，對(duì)帶壓開(kāi)采區(qū)域必須進(jìn)行超前物探，超前距為20米，前方無(wú)導(dǎo)水構(gòu)造后方可掘進(jìn)。
鎮(zhèn)城底礦東二下組煤采區(qū)突水系數(shù)最大為0.034MPa/m，隔水層厚度為70米，而且陷落柱多且大，奧灰?guī)r溶水最大極限涌水量為1088.34m3/h，是目前鎮(zhèn)城底礦受奧灰水威脅最為嚴(yán)重的區(qū)域。采區(qū)巷道最高標(biāo)高為882.6m如果東二采區(qū)奧灰水突水后會(huì)給礦井造成威脅；可以通過(guò)強(qiáng)排延緩自救時(shí)間快速構(gòu)筑除防水閘門以外的防水密閉，達(dá)到把水災(zāi)事故控制在計(jì)劃范圍內(nèi)，有效避免對(duì)礦井其它區(qū)域的威脅，進(jìn)而解決皮帶巷防水閘門無(wú)法試驗(yàn)及奧灰水滯后突水無(wú)法防治的問(wèn)題，但需資金與技術(shù)支持。
5.3.2.2、工作面形成后進(jìn)行物探，進(jìn)行驗(yàn)證隱伏構(gòu)造的范圍及導(dǎo)水性后方可開(kāi)采，并要留有觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)水文動(dòng)態(tài)。
5.3.2.3、掘進(jìn)和回采不能通過(guò)導(dǎo)水的斷層和陷落柱，防止其導(dǎo)水或滯后導(dǎo)水。若發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)水的構(gòu)造，必須進(jìn)行注漿加固。
5.3.2.4、工作面回采結(jié)束后其密閉要按規(guī)程規(guī)定的防水密閉的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。
5.3.2.5、工作面的排水設(shè)施、設(shè)備必須按規(guī)程規(guī)定滿足要求，并有備用的排水設(shè)施、設(shè)備。即掘進(jìn)工作面必須有兩路4寸的排水管，排水能力不小于60 m3/h；回采工作面兩巷必須有四路4寸的排水管，排水能力不小于80 m3/h。
5.3.2.6、820軌道巷斜坡上部車場(chǎng)標(biāo)高882.6米，為了確保礦井安全生產(chǎn)，預(yù)備2000個(gè)沙袋，以備急用。
6、存在的問(wèn)題及建議
6.1、東二采區(qū)無(wú)采區(qū)水倉(cāng)，我礦初步研究用移動(dòng)泵站加以解決，但需增加2-3臺(tái)排水能力在500m3/h的水泵及配套管路。可滿足奧灰水突水要求。
6.2、購(gòu)置一臺(tái)直流電法水害探測(cè)儀。
6.3、購(gòu)置一臺(tái)注漿堵水鉆機(jī)。
