煤层底板岩溶承压水水害分析及综合治理

矿井安全生产。
关键词：含水层； 岩溶承压水； 煤层底板； 水害治理
中图分类号：TD745． 2
文献标识码：B
文章编号：1003 － 0506（2011）07 － 0108 － 03
1 概况
1. 1 矿井概况 平禹煤电公司一矿位 于 河 南 省 禹 州 市 境 内，
1969 年兴建，1976 年投产。矿井为立井开拓，主采 二叠系山西组二1 、二3 煤层，采用单水平上下山分区 式开采。 1. 2 区域地质
（ 2） 建立矿井地下水动态实时监测系统。平禹 一矿地面水文观孔有 9 个，井下水文观孔 2 个，地面 明渠流量观测点 1 个，井下明渠流量观测点 2 个。 水文观测孔监测相应含水层的水位、水温实时变化 情况； 地面明渠流量观测点实时监测井下排出地面 的排水量变化； 井下明渠流量观测点实时监测井下 排水沟流量变化。根据矿井地下水动态实时监测系 统实时监测、记录各观测孔的水压、水位、温度、流量 值及其变化情况，根据需要生成相关的数据报表、分 析曲线，分析研究各主要含水层之间可能存在的水 力联系，各出水点水量增减或各出水点与各含水层 水位升降之间的关系以及井下各出水点的水温、水 质变化，关注其是否与某个含水层的特征在不断趋 近等。目的是掌握矿井水情变化，不断深化对矿井 充水条件和补给水源的认识，为做好矿井防治水工 作提供依据。
较弱，导水性弱—中等，是二1 煤层底板直接充水含 水层。充水形式以裂隙涌水为主，出水点的初始水 量较大，补给来源不足，以静储量为主。
2 平禹一矿历年突水水害状况与分析
平禹一矿处在禹州岩溶水系最下游的承压自流 排泄区，煤层底板太原组灰岩和寒武系灰岩岩溶发 育，富水性和导水性强，补给充沛。自 1972 年以来， 已发生 49 次突水，共造成 4 次淹井和淹采区事故 （ 表 1、表 2） ，特别是 2005 年 10 月 19 日突水，最大 突水量为 38 056 m3 / h，导致矿井被淹。
区域水文地质禹县岩溶水系统位于河南省中部禹县境内北邻新密登封南邻平顶山西邻临汝煤田东至京广铁路呈东西向凹型狭长分布面积1492km岩溶裂隙含水岩组裸露区面积约为400km埋藏区面积约为840km煤间接充水含水层以石灰岩为主中奥陶统灰岩含水层组主要为厚层石灰岩岩溶裂隙发育但区内出露面积很小厚42m由于补给面积很小因而水量有限
二期工程，有针对性地布置 4 个以注浆为主的 钻孔。
此次注浆堵水共计施工 7 个钻孔，钻探工程量 4 161. 98 m，注骨料 1 440 m3 ，注水泥 38 605 t，注食 盐 193. 08 t，注三乙醇胺 19. 31 t，注尾矿砂 86 m3 ，注 锯末 22 m3 。该工程历时 9 个月，直到 2006 年 6 月 才恢复生产。
1
2. 1
突水量≤60 m3 / h
次数
比例 /%
39
79. 6
表 2 平禹一矿历年突水水害统计（按突水量划分）
突水量 60 ～ 600 m3 / h
次数
比例 /%
6
12. 2
突水量 600 ～ 1 800 m3 / h
次数
比Hale Waihona Puke /%24. 1突水量 ＞ 1 800 m3 / h
次数
比例 /%
2
4. 1
2011 年第 7 期
岳崇利：煤层底板岩溶承压水水害分析及综合治理
总第 187 期
（ 3） 石炭系上统太原组上段灰岩裂隙岩溶承压 含水层。主要由 L7 —L11 五层灰—深灰色隐晶质石 灰岩组成，其中 L10 和 L11 不稳定，顶部为灰黑色致密 菱铁质泥岩，其中 L8 、L9 层位稳定并常常合并为一 层，裂隙多被方解石充填，矿井揭露的最大裂隙宽度 近 0. 5 m。该段厚 20. 00 ～ 37. 00 m，一般厚度 27 m。 该含水层静止水位标高 + 141. 78 ～ + 148. 92 m，单 位涌水量 0. 000 847 ～ 0. 026 300 L / （ s·m） ，渗透系 数为 0. 062 ～ 0. 180 m / d，水质类型为 HCO3 -Ca·Mg 或 HCO3·SO4 -K + Na·Ca·Mg，矿化度 0. 359 ～ 0. 404 g / L。该含水层上距二1 煤层一般 12 ～ 16 m，富水性
根据矿区 地 层、岩 性、含 水 空 隙 特 征 及 埋 藏 条 件，分析得出影响矿井煤层开采的有以下 3 个岩溶 承压含水层：
（ 1） 寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层。该含水 层上距二1 煤层约 80 m，岩溶裂隙发育，为含水丰富 但不均一的强含水层，水质类型为 HCO3 -Ca·Mg 型 水，为二1 煤层底板间接充水含水层。其间本溪组 铝土质泥岩和太原组中段砂泥岩隔水层阻隔了寒武 系上统的白云质灰岩、白云岩与太原组下段灰岩含 水层、上段灰岩含水层间的水力联系，但因受地质因 素影响多层含水层相互沟通时，将会导致矿井涌水 量大幅增加，这是造成矿井灾难性水患的主要因素。
禹州矿区位于小秦岭—嵩山东西向构造体系和 嵩淮弧构 造 的 复 合 部 位，嵩 箕 地 块 东 南 隅 的 荟 萃 山—风后岭背斜南翼，南与平顶山韩梁矿区相连，东 与周口拗陷相接。
断裂构造以高角度正断层为主，逆断层甚少，主 要由出露于地表的东西向和隐伏的北西向两组断裂 组成。主要断层以白玉断层、白沙河街断层、南关断 层为主体，北部存在滑脱构造。
（ 3） 增加和扩大底板隔水层的抗水压能力。在 探明底板隔水岩组的岩性、层组结构变化等的基础 上，通过注浆，把含水层改造为隔水层，从而既封堵 其底层的来水通道，又增扩了原有隔水层厚度。通 过注浆，把隔水层中的原有裂缝、破碎带及主要过水 通道进行加固和封堵，从而增强隔水岩组的完整性 和强度，增加岩组的抗水压能力。目前，平禹一矿开 采的每一个采煤工作面都进行了底板注浆加固，使 底板含水层变成隔水层，增加了底板隔水层的抗水 压能力，在一定程度上减少采煤工作面突水的可能 性，保证了采煤工作面的安全回采。
由于平禹一矿历史上多次发生透水事故，通过 对底板岩溶承压水突水分析，针对矿井突水形式采 用多种针对性治理方法，有效解决了矿井底板岩溶 承压水水害。
（ 1） 注浆截流底板岩溶承压水补给通道。在平 禹一矿西北部和西南部的低山丘陵区，寒武系灰岩 和白云岩大面积出露于地表，出露总面积 400 km2 。
·109·
该系 统 内 裸 露 岩 溶 区 主 要 为 中 上 寒 武 统 （ ∈2 +3 ） 及中奥陶统（ O2 ） 和石炭统（ C3 ） 岩溶裂隙含 水岩组，裸露区面积约为 400 km2 ，埋藏区面积约为
收稿日期： 2011 － 04 － 12 作者简介： 岳崇利（ 1979—） ，男，河南扶沟人，助理工程师，2001 年 毕业于河南工程技术学校，现从事煤矿技术管理工作。
（ 4） 强化矿井的控水、排水能力。增设必要的 抗水灾强排设备，其目的不是确保底板岩溶承压水 ·110·
突大水后不淹井，而是合理提升抗水灾能力，保障作
业人员的安全撤离，并为采取其他有效措施、力争保
住矿井赢得时间。平禹一矿在副井底设置中央排水 泵房和水仓，水仓容量 3 600 m3 ，配备 MD500-57 × 7
2011 年第 7 期
中州煤炭
总第 187 期
寒武—奥陶系灰岩白云岩裸露区，地表岩溶裂隙发 育，接受大气降水和地表水的入渗补给，是区内岩溶 水直接补给区。故封堵底板岩溶承压水补给来源能 够有效地减少底板岩溶承压水补给。为此平禹一矿 实施了帷幕注浆截流工程，注浆截流工程包括地面 工程和井下工程。地面工程分 2 段： 一段位于井田 北部边界处，在垂直魏庄断裂的区域布置地面注浆 孔； 另一段位于井田西南部边界处，在垂直肖庄断层 的区域布置地面注浆孔。井下注浆工程是在井下二 采区总回风巷、二采区轨道上山、二采区至四采区大 巷中布置注浆孔。地面和井下注浆孔连接在一起， 形成一条由井田西南边界至井田北部延伸的注浆帷 幕墙，阻断西部和西北部岩溶水进入井田的补给通 道。
老空水
次数 比例 /%
7
14. 3
表 1 平禹一矿历年突水水害统计（按突水类型划分）
顶板砂岩裂隙水
次数 比例 /%
14
28. 6
太灰 L7 —L8 灰岩岩溶水
次数
比例 /%
13
26. 5
太灰 L1 —L4 灰岩岩溶水
次数
比例 /%
8
16. 3
寒武系灰岩岩溶水
次数 比例 /%
6
12. 2
井筒突水
次数 比例 /%
（ 2） 石炭系上统太原组下段灰岩裂隙岩溶承压 含水层。由多层深灰色灰岩（ L1-6 ） 组成，其中 L1 — L4 最稳定，厚 13. 50 m，L6 上距二1 煤层 42 m。其间 太原组中段砂质泥岩段隔水层阻隔了其与太原组上 段灰岩含水层间的水力联系，是二1 煤层底板间接 充水含水层。该含水层静止水位标高 + 140. 19 m， 单位涌水量为 0. 777 L / （ s·m） ，渗透系 数 为 3. 95 m / d，水 化 学 类 型 HCO3 -Ca ·Mg，矿 化 度 0. 332 ～ 0. 365 g / L。
为尽快恢复矿井生产，确定了此次堵水的基本 思路： “先封堵突水点，后扩大注浆范围和加固底 板”。
基于突水的位置基本清楚，补给水源比较明确， 突水通道位于巷道底板，但通道的性质、具体位置和 形态等尚需进一步查明的背景条件下，此次堵水工 程分 2 期进行。
一期工程，先在地面向东大巷突水段施工 3 个 透巷孔，封堵 40 ～ 50 m，以便正式注浆前在巷道中 形成止水帽（ 起类似井筒工作面注浆时的止水垫作 用） ，并附带查明突水地段的地质情况。
·108·
840 km2 。
上石炭统灰岩含水层组为二1 煤间接充水含水 层，以石灰岩为主，中奥陶统灰岩含水层组主要为厚 层石灰岩，岩溶裂隙发育，但区内出露面积很小，厚 度 0 ～ 42 m，由于补给面积很小，因而水量有限。
寒武系 白 云 岩、灰 岩 含 水 层 组，上 统 崮 山 组 （ ∈2g ） 、长山组（ ∈3c ） 、凤山组（ ∈3f ） 以白云质灰岩 为主。中统张夏组（ ∈2z ） 、徐庄组（ ∈2x ） 以白云岩、 泥质灰岩、鲕状灰岩、豹皮状灰岩为主，为强富水段。 1. 4 矿井含水层
区内主要发育地层为太古界太华群、中元古界 熊耳、汝阳群、上元古界洛峪群、震旦系、古生代寒武 系、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系、三叠系下统 和第三、第四系。其中二叠系为主要含煤地层。区 内及周围无岩浆岩。 1. 3 区域水文地质
禹县岩溶水系统位于河南省中部禹县境内，北 邻新密、登封，南邻平顶山，西邻临汝煤田，东至京广 铁路，呈东西向“凹”型狭长分布，面积 1 492 km2 。
通过对历次底板岩溶承压水突水，尤其是典型 突水事故的分析可知，平禹一矿突水主要有 4 种形 式： ①底板岩巷直接揭露底板灰岩导水裂隙造成的 突水； ②断层导水造成的煤层底板岩溶水突水； ③煤 层底板隔水层因采动破坏而引起的突水； ④煤层底 板隔水层缺失或减薄造成的突水。
3 底板岩溶承压水水害治理技术
型水泵 8 台，MD200-43 × 7 型水泵 1 台，沿副井敷设 5 趟排水管路，最大排水能力 3 025 m3 / h。技改区 井底设置中央排水泵房，水仓容量 9 600 m3 ，泵房装
备 MD450-60 × 6 型水泵 7 台，井筒敷设 377 mm 排水管路 4 趟，最大排水能力 2 600 m3 / h。全矿井 排水能力达到了 5 625 m3 / h。此外，在各个采区都
2011 年第 7 期
中州煤炭
总第 187 期
煤层底板岩溶承压水水害分析及综合治理
岳崇利
（ 河南平禹煤电公司，河南 禹州 461670）
摘要：根据矿区地层、岩性、含水空隙特征及埋藏条件，分析了影响矿井煤层开采的主要水害因素。结合对矿
井历年突水水害状况的分析，采取了有针对性的综合水害治理措施，有效解决了矿井水害治理难题，确保了
2005 年 10 月 19 日 15： 30，东运输大巷扩砌处 向西 20 m 范围内巷道压力突然增大并伴有底鼓，扩 砌处向西第 4 拱拱帽塌落； 16： 20，后方 10 m 范围内 巷道侧帮及顶部到处掉渣，拱帽塌落 8 个，底鼓更为 明显，巷道下帮道轨比上帮道轨高出 0. 3 m； 17： 40， 大巷冒顶处出现底鼓 1. 2 m，巷道两帮岩壁向巷道 内鼓出 1. 0 m 左右； 18： 20，底板鼓起段开始出水，形 成高度 0. 6 m 的水柱； 至 19： 20，涌水量超过 10 000 m3 / h。随着 时 间 的 推 移，涌 水 量 逐 步 增 大。据 测 算，前 7 h 平均涌水量为 26 639 m3 / h，最大突水量 为 38 056 m3 / h，突水总体积为 1 437 474 m3 。