福建煤礦礦井充水因素分析

福建煤礦礦井充水因素分析

目前，福建煤礦主要采用兩種探測方法，即探測和胡同檢測。按照“有疑必探,先探后掘”的原則,采用鉆探和巷探方法進(jìn)行水文地質(zhì)探測,在保證礦井安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。但單純采用鉆探和巷探方法，有時尚難以取得滿意的效果。因為鉆探和巷探工程量大,進(jìn)度較慢；探放工程布置往往具有盲目性，造成浪費；無論是鉆孔和巷道，其控制和覆蓋范圍小，探測盲區(qū)大。因此，在探測方法與手段上，除了鉆探和巷探方法外，應(yīng)逐步推廣和采用物探方法，進(jìn)行綜合探測。課題組利用福建煤電公司購置的一臺YDX(A）直流電法儀，于2008年11月在坑柄礦+330水平進(jìn)行三極超前探測試驗；2009年9月、11月又分別在翠屏山礦東山采區(qū)回風(fēng)下山、田螺形礦隘頭+400大巷進(jìn)行三極超前探測試驗。1福建煤礦水災(zāi)特點1.1晚三段沉積型上伏福建省地處我國東南沿海，全省面積12.3萬平方公里，其中含煤地層分布面積達(dá)七千多平方公里。主要含煤層位為下二疊統(tǒng)童子巖組（俗稱童子巖煤系），出露面積1746平方公里，位于東經(jīng)116°10′-118°25′，北緯24°25′-27°，上伏上二疊統(tǒng)翠屏山組與煤系為假整合接觸；下伏下二疊統(tǒng)文筆山組和棲霞組與煤系整合接觸，童子巖組由泥巖、粉砂巖、砂巖和煤組成，總厚度約為800m。童子巖組地層分為三段：第一段（P1t1）、第二段（P1t2）、第三段（P1t3）。沉積類型有三種：即西部條帶的連城類型，僅第三段含煤；中部條帶的龍巖類型，第一段、第三段都含煤；東部條帶的天湖山類型，僅第一段含煤。分為永安煤田（礦區(qū)）、大田上京煤田（礦區(qū)）、龍永煤田（礦區(qū)）和天湖山煤田（礦區(qū)）等煤田（礦區(qū)），也是福建省主要煤炭生產(chǎn)基地。各礦區(qū)內(nèi)劃分為若干井田（或塊段），各井田（或塊段）煤層賦存狀況變化比較大，傾角隨構(gòu)造變化而異，一般為15～70°，煤層頂板多為細(xì)粉砂巖和泥巖，煤質(zhì)均為中高變質(zhì)無煙煤，含煤巖系中含中富水性巖層，礦井水的主要補給源為大氣降水。1.2危害，發(fā)生重大傷亡事故煤礦水害事故，往往具有突發(fā)性和極大的危害性，不僅影響生產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失，而且易發(fā)生重大傷亡事故。根據(jù)福建省煤礦水害發(fā)生的特點,福建煤礦水害事故主要有：1.2.1非法超層邊界福建小窯采煤歷史悠久，多數(shù)礦區(qū)老窯密布且無據(jù)可查。20世紀(jì)80年代中期以來，出現(xiàn)了許多小煤窯，掠奪式的非法超層越界下山開采，也留下了許多采空區(qū)。這些新、老小窯不僅可能積水成為“地下水庫”，而且造成與地表水體有水力聯(lián)系或成為大氣降水的入滲通道，留下了許多水害隱患。1.2.2上分層開采影響采空區(qū)采空區(qū)積水有兩種情況：一種是本煤層上部采空區(qū)積水，造成水害事故的原因主要是前期下山開采，且沒有進(jìn)行地質(zhì)填圖，下水平或區(qū)段沿煤上山掘進(jìn)或采煤時，掘（采）通道上部積水的采空區(qū)。另一種是不同層位，煤層間距小，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生變化，采下層時，由于兩層間的巖石冒落而溝通上煤層積水的采空區(qū)或巷道，造成透水事故。1.2.3涌水量大而導(dǎo)致的事故童子巖煤系地層本身屬弱含水巖系，文筆山組泥巖起著隔離棲霞灰?guī)r的作用，但該煤系地層受地殼運動的影響強烈，斷裂構(gòu)造在發(fā)育，特別是導(dǎo)水?dāng)鄬涌赡芘c地表水，大氣降水、棲霞灰?guī)r接口或溝通，就可能導(dǎo)致礦井涌水量大而無法生產(chǎn)或突水事故。如龍永煤田王莊基建井涌水量大、井溫高；上京礦區(qū)后洋+500運輸大巷突水，就是導(dǎo)水?dāng)鄬訙贤蓟規(guī)r的巖溶水，至今煤炭資源尚未解放。1.2.4下著井施工期間可能造成內(nèi)容事故井口標(biāo)高較低且布置于河流附近的礦井，雨季期間可能造成淹井事故。如1998年閩北地區(qū)發(fā)生洪災(zāi)，致使福建省邵武煤礦被淹，造成幾千萬元的損失。2福建煤礦的礦坑充水因素2.1充水水源2.1.1關(guān)注弱富水礦坑涌水量急增的水文動態(tài)觀測該區(qū)大氣降水豐富，為地下水提供了充足的補給來源。降水主要通過第四系殘、坡積層、風(fēng)化帶、地表坍陷區(qū)裂隙及導(dǎo)水構(gòu)造帶等向煤系充水。從井下水文動態(tài)觀測資料中發(fā)現(xiàn)，雨后礦坑涌水量急增。由大氣降水直接補給的溝谷水，也是礦井充水水源之一。2.1.2各采空區(qū)的水突水事件如上京礦區(qū)后洋+500運輸大巷首次突水涌出的水放在桶里可見少量氣泡,伴有較濃的鐵腥味和臭雞蛋味,味澀,化驗結(jié)果顯示SO4、Fe2+含量高,說明該水是采空區(qū)水。仙亭礦1990年三采區(qū)39號煤在+660水平以上開采時曾發(fā)生過老窯采空區(qū)突水事件;1995年后畬礦也出現(xiàn)過采空區(qū)水突水現(xiàn)象;這些都說明老窯及采空區(qū)水是礦井充水的一個重要來源。2.1.3地層水聯(lián)系機理在褶皺的核部特別是由節(jié)理發(fā)育的剛性砂巖組成的透鏡狀承壓構(gòu)造裂隙水與面上脈狀裂隙水之間有時有一定的水力聯(lián)系。井下揭露的構(gòu)造轉(zhuǎn)折端常有一定的淋水、滴水現(xiàn)象，說明其具有一定的富水性，對礦井充水有一定的影響。構(gòu)造裂隙帶若與灰?guī)r水發(fā)生水力聯(lián)系，則在局部會造成突水危害，后洋井田+500運輸大巷F8-1即是例證。（據(jù)研究F8-1斷層為后洋井田+500運輸大巷1990年8月突水事故的主要通道。）2.1.4富水巖溶裂隙發(fā)育特點棲霞灰?guī)r大都隱伏在文筆山組～童子巖組之下，其裂隙～巖溶不均勻發(fā)育，富水性不均勻，通常淺強深弱。局部地段巖溶裂隙較發(fā)育，特別是在斷裂構(gòu)造帶附近，裂隙～巖溶發(fā)育較深，具有一定的富水性。雖然煤系與灰?guī)r之間大都分布有相對隔水的文筆山組巖層，灰?guī)r水通常不是礦井水的補給來源，但大部分礦井構(gòu)造發(fā)育，造成煤系地層與棲霞灰?guī)r對口或構(gòu)造帶與灰?guī)r水有水力聯(lián)系，使灰?guī)r裂隙～巖溶水有可能成為礦井充水的直接來源。2.2充電路2.2.1水層段溝通以張性破裂為主,連續(xù)性、延伸性的構(gòu)造破裂面,是個良好的通道；能將各裂隙承壓含水層段溝通,并可接受地表溝谷水或大氣降水的補給,也可將采區(qū)及老窯的水導(dǎo)通,進(jìn)入構(gòu)造樞紐。它不僅是導(dǎo)水通道，而且是良好的儲水空間。特別是導(dǎo)水?dāng)鄬?，有利于地下水的儲存和運動，使井下所見斷裂構(gòu)造帶出現(xiàn)涌水或淋水、滴水現(xiàn)象，增大了礦坑涌水量。2.2.2成導(dǎo)水通道煤層與底板細(xì)砂巖之間是較軟弱的結(jié)構(gòu)面,易形成導(dǎo)水通道。特別是在砂巖及粉砂巖發(fā)育的順層張性破裂面，可將老窯水及采空區(qū)水導(dǎo)入，還可使透鏡狀的承壓裂隙水通過它而發(fā)生水力聯(lián)系。2.2.3煤系基礎(chǔ)地下水管道有些封閉不好的鉆孔能將各水源貫通,特別是揭露到棲霞灰?guī)r的鉆孔,可能成為人為的突水通道造成灰?guī)r水與煤系水的密切水力聯(lián)系。上京礦區(qū)后洋+500運輸大巷突水點附近揭露到灰?guī)r的ZK3（舊孔）等鉆孔，其導(dǎo)水很可能是造成局部突水的直接原因。2.2.4密切巖水聯(lián)系灰?guī)r大都隱伏在文筆山組～煤系之下,不均勻地發(fā)育巖溶～裂隙,各塊段灰?guī)r水之間有著較密切的水力聯(lián)系。如后洋+500運輸大巷突水時，其在柯坑+610水倉的涌水明顯銳減，實施堵水工程后，其水量又恢復(fù)正常；水質(zhì)化驗結(jié)果表明，突水點的水質(zhì)與ZK10號水源孔水質(zhì)相近，證明了這一點。2.2.5大氣降水與井下礦坑水的聯(lián)系由于開采造成上覆巖層垮落，形成“三帶”，波及地表后，切斷了大氣降水的地面徑流，導(dǎo)致大氣降水與井下礦坑水發(fā)生直接聯(lián)系；隨著采區(qū)范圍的擴大，冒落增大，導(dǎo)致原較干燥的巷道出現(xiàn)較大的滴水、淋水區(qū)及局部段的涌水現(xiàn)象，都說明了這一點。3推廣和采用異物方法進(jìn)行綜合探測福建煤礦發(fā)生透水事故的主要是老空區(qū)透水和斷層突水。做好探測工作的關(guān)鍵是探測手段。試驗研究認(rèn)為：在探測方法與手段上,除了鉆探和巷探外，應(yīng)推廣和采用物探方法,進(jìn)行綜合探測。即先物探，再配合鉆探或巷探,效果將會更好。物探方法很多,在老空區(qū)、斷層帶探測方面,可選用礦井高分辨直流電法、礦井音頻電穿透技術(shù)、礦井瑞雷波探測技術(shù)、礦井地質(zhì)雷達(dá)等。以下介紹直流電法在部分礦井的試驗情況。3.1巷道內(nèi)供電電極布置礦井直流電法屬全空間電法勘探。它以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，電流通過布置在巷道內(nèi)的供電電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場。利用探測目標(biāo)電性參數(shù)的差異來分辨目標(biāo)體，前提是目標(biāo)體有明顯的電性差異（見圖1）。3.2電流法的測量實例3.2.1周邊圍巖調(diào)查、分析翠屏山礦東山采區(qū)回風(fēng)下山掘進(jìn)至斜長143米（約+304米標(biāo)高）處時，其左邦出現(xiàn)異常涌水，其流量為10米3/小時，礦井擔(dān)心周邊有小煤開采留下積水區(qū)，按《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)要求立即停止了掘進(jìn)，同時進(jìn)行了周邊小窯調(diào)查及水患分析，采用直流電法儀到現(xiàn)場進(jìn)行三極超前探測，探測長度為72米。該探測顯示：在探測區(qū)段內(nèi)存在2處視電阻率低阻異常。低阻異常區(qū)段分別位于掘進(jìn)迎頭前方0-8米處命名為1號異常，27-32米處命名為2號異常。1號低阻異常中存在最低阻值點，最小值為0.5歐姆/米，2號低阻異常中存在最低阻值點，最小值為55歐姆/米。經(jīng)對其探測成果所反映的巖性，結(jié)合周邊小窯開采調(diào)查情況，綜合分析研究后認(rèn)為該通風(fēng)副下山涌水點附近無積水區(qū)，不存在水害隱患，涌水為層間帶狀裂隙承壓水，無補給水源。往前（下）施工驗證，涌水量逐漸變小，揭露的地層巖性，與探測解析大致相同。3.2.2巷道周邊低阻異常探測田螺形礦隘頭+400大巷按照預(yù)定方位（240度）往前掘進(jìn)施工至152米時，迎頭出現(xiàn)了規(guī)模大的裂隙破碎帶，并有異常涌水，巷道圍巖不斷出現(xiàn)垮邦冒頂，造成掘進(jìn)施工異常艱難，為了探測前方破碎帶的長度,對+400大巷做了三極超前探，探測長度為76米。該探測顯示：在掘進(jìn)頭前方探測區(qū)段內(nèi)存在1處視電阻率低阻異常，低阻異常區(qū)段位于掘進(jìn)迎頭，命名為1號異常。1號低阻異常中存在最低阻點，最小值為40歐姆/米。經(jīng)對其所測結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)巖性分析研究，結(jié)合周邊煤系地層情況進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為迎頭巖層主要是受斷層作用，破碎，并有裂隙承壓水，含水破碎帶長度約為15米，但無大的積水等水害隱患。經(jīng)施工驗證，破碎帶逐漸消失，圍巖巖層慢慢變完整，巖層涌水的現(xiàn)象逐漸消失。4礦井水患預(yù)測的技術(shù)對策4.1通過YDX(A）直流電法儀在翠屏山礦東山采區(qū)回風(fēng)下山和田螺形礦隘頭+400大巷的超前探測試驗成果分析，經(jīng)生產(chǎn)施工驗證，認(rèn)為直流電法能夠幫助探查礦井的巖層巖性、老空區(qū)積水，構(gòu)造含、導(dǎo)水等問題，為礦