肥城矿区深部开采水害现状及对策

王则才

(肥城矿业集团公司，山东肥城271608)

肥城矿区是全国知名的大水矿区，主采煤层为太原组的煤₈、煤₉、煤₁₀，由于受底部高承压岩溶水的威胁，绝大部分储量不能安全开采，截止2006年末，全公司保有资源储量12360．7万t，其中受水威胁资源储量8314．3万t，占67．26％，村庄压煤4091．8万t，占33．1％，井巷煤柱2021．8万t，占16．35％，有效可采储量仅剩730．4万t。

1 矿区地质及水文地质条件

1．1 矿区水文地质

1．1．1 区域水文地质

    根据肥城盆地的地质构造特点、岩性组合、地下水的运动及特征划分为4个水文地质区。

    I区：前震旦系花岗片麻岩裂隙水区，分布于盆地东北部，面积约164km²，主要为浅部风化裂隙水，对煤田开采影响不大。

    Ⅱ区：裸露的寒武、奥陶系石灰岩岩溶水区：主要分布于盆地的东、西、南部，面积约560km²，其中奥陶系灰岩出露面积260km²，主要接受大气降水的补给，含水丰富，对煤田开采影响很大。

    IⅡ区：隐伏的寒武、奥陶系石灰岩裂隙岩溶水区：分布于盆地的中部、南部，面积为480km²，间接接受大气降水的补给，含水丰富，对煤田开采影响很大。

    Ⅳ区：煤田内煤系地层多层岩溶裂隙水区：面积为98km²。，主要通过断裂构造接受奥灰水补给，对煤田开采有较大影响。

1．1．2 主要含水层

    地层自上而下共有8个含水层，其中威胁矿井安全生产的主要是徐家庄灰岩(简称五灰)和奥陶系灰岩，分述如下：

    五灰含水层：上距煤₇70m左右，煤₈32m左右，煤₉22m左右；煤₁₀18m左右；下距奥灰1．4l～18．57m，平均10m左右。平均厚7～10m，质纯、岩溶裂隙发育。单位涌水量q=16.12L/s．m，富水性强，原始最高水位+63m左右，目前水位+40m左右，井下单孔水量Qmax：350m³/h。单位降深水量533m³/h.m。

    奥陶系石灰岩(O₂)含水层：厚度800m左右，主要由石灰岩和白云岩组成，岩溶裂隙十分发育，富水性极强，单位涌水量q=101L/s．m。原始水位标高为+64m，目前水位+4lm左右，由于直接接受大气降水的补给，动储量丰富，达2．8万m³/h，共分八个含水段，其中有三个强含水段和二个次强含水段，第一个强含水段在顶界面以下35m左右，厚度30m，是煤系各含水层的补给水源层。

1．1．3 水文地质特征

    (1)地质构造复杂，断层发育，目前已查明落差>5m的断层295条，小断层更发育。

    (2)奥灰富水性极强，补给充足，动储量大(达2．8万m³/h)。

    (3)隔水层厚度小，煤10下距五灰一般18m左右，下距奥灰35m左右，是华北型煤田间距最小的。

    (4)五灰与奥灰间距小，水力联系十分密切，从水位、水质、水温上看为同一水体。五灰单位疏降水量为(533m³/h．m)，难以疏干。

    (5)含水层的原始导高大，个别钻孔达到lOm，水量超过100m³/h，采矿裂隙极易勾通导升裂隙而出水。

    (6)含水层裂隙发育极不均一，探查难度大，注浆改造困难。

    (7)采动影响对底板的破坏深度大，局部地段煤8在一350m水平36．5m，煤9为14．2m，与五灰含水层直接沟通。

    (8)水压高，突水系数大(Ts=0.1～0.35MPa/m)，超过了《煤矿防治水工作条例》的规定。

2 水害现状

2．1 矿区历史突水资料统计

 肥城矿区自1965年开采太原组煤层，截止2007年底共发生各类突水292次，其中，五灰和奥灰突水183次，占突水次数的62.7％。大型突水(600～1800m³/h)15次，特大型突水(>1800m³/h)5次，最大突水量32970 m³/h，淹井三次，淹水平一次，淹采区四次。

2．2 涌水量情况

 目前矿区6对生产矿井正常涌水量4000m³/h，其中查庄、鑫国公司2100m³/h，占52．5％，主要涌水来源为工作面分散的五灰出水点、相邻矿井过水、老空水、顶底板砂岩裂隙水、探查疏放的灰岩水等，矿井涌水量不随季节变化。

2．3 主要水害隐患分析

    2．3．1 承压水影响下组煤开采主要五灰和奥灰承压水。随着开采深度增加，水头压力越来越大；采矿扰动影响深度不断加大，防治水工作难度增加，突水机率越来越高：

    (1)地质构造复杂，断层在原始状态下不导水，但受采动影响后，可能变成含导水断层，从而成为导水通道，统计表明，85％的突水是由断层裂隙造成的。

    (2)含水层富水性强，补给水源充足。由于奥灰地表广泛出露，(面积约260km²)，大气降水直接补给奥灰，动储量达2．8万m³/h，而五灰和奥灰间距小，通过断层或裂隙极易沟通，可视为同一水体，一旦五灰突水，就有可能导致奥灰突水，对矿井威胁极大。

    (3)隔水层厚度小，主采煤层距五、奥灰间距小，在采矿破坏和高承压水的“双重”作用下常在构造薄弱带造成突水。

    (4)五灰、奥灰水压大，突水系数超过了《煤矿防治水工作条例》的规定。突水系数达到O．1MPa／m以上，超过0．06MPa／m的要求，因此，采矿时，随时都有突水的危险。目前各矿突水系数见表1(五灰区域水位按+45m计算)：

表1突水系数情况一览表

 (5)采矿扰动破坏深度大。实测煤8开采一350m水平底板破坏深度36．5m，煤9开采一300m水平为14．2m，由此推算，破坏深度变化系数0．027。

2．3．2 相邻矿井水害分析

 肥城煤田共有五对地方煤矿(平阴煤矿、兴隆煤矿、马坊煤矿、五里垢煤矿和隆庄煤矿)，其中兴隆庄煤矿已关闭，其余四对矿井正在生产，主要开采太原组的煤7、8、9、10，如不做好防治水工作，随时都有突水危险。如发生突水，相邻矿井也受到影响和威胁，并多次造成停产。

2．3．3 老空水

 在采掘过程中，必须对空水及时排查分析，做到有疑必探，先探后掘，保证安全生产。

2．3．4 断层水

 实践证明，绝大多数断层受采动影响后，断层带活化充水，易造成出水，因此要做好超前探查加固，并留足断层防水煤柱。

3 目前防治水的主要措施

3．1 扩大排水系统提高矿井抗灾能力

 目前，肥城矿区6对矿井已建立水平排水系统21个，水泵共141台，总排水能力66780m³/h，正在施工和扩建的水平排水系统4个，排水能力为7850m³/h，合计总排水能力74630m³/h，基本满足各矿井防治水需要。

3．2 建立隔离设施  实现上下组煤隔离

 肥城矿区上下组煤的间距160m左右，一旦开采下组煤时发生突水，关闭水闸门(墙)，不致威胁上组煤开采。目前，全矿区6对矿井都实现了上下组煤隔离，共建立防水闸门53道，同时加强了对水闸门(墙)的管理，保证完好有效。

3．3 加强对断层的超前探查  留足防水煤柱

 凡是采掘影响到的断层，都要做好超前探查，并对断层带注浆加固，留足防水煤柱，确保断层带的稳定性，其计算公式为：

式中：L一煤柱留设宽度，m；

   K一安全系数，一般取2～5；

   P—水头压力，kgf/cm²；

   M一煤层厚度或采高，m；

   Kp一煤的抗张强度，kgf/cm²。

3．4 缩小工作面长度减小矿压对底板的破坏深度

 实践证明，工作面长度越大，推采速度越慢，矿压对底板的破坏深度越大，越容易造成底板出水。因此，规定凡是受水威胁的工作面，面长不得超过100m，对煤9、煤10工作面面长一般不得超过80m，随着开采深度的加大，工作面长度将逐步缩短。对复杂地段则采取条带开采或残采，确保安全生产。

3．5 因地制宜采取治水措施

 矿区深部勘探程度较低，水文资料较少，因此必须下决心查明深部开采区段的水文地质条件，因地制宜地采取防治水措施。

3．6 五灰含水层注浆改造

 注浆改造的基本原理是浆液在一定压力、一定时间作用下在受注层原来被水占据的空隙或通道内脱水、固结或胶凝，使结石体或胶凝体与围岩岩体形成阻水整体，含水层变为隔水层。1984年以来，共注浆改造受水威胁工作面426个，安全采出煤炭3349．7万t。

3．7 “双降”开采技术

 “双降”开采即通过疏放五灰水，降低水头压力；采用人工强制放顶，降低采矿对底板的破坏深度。如杨庄矿的8800采区开采，采取疏放五灰水，使五灰突水系数达到了《条例》的要求，实现了安全开采；曹庄矿的西三采区，采取以疏放水为主，局部进行注浆改造，实现了安全开采；截止2006年底，疏降开采工作面33个，安全采出受水威胁煤炭158．7万t。

3．8 帷幕注浆截流技术

 帷幕注浆截流技术实施的前提条件必须是边界条件清楚、水源的补给方向清楚、径流带的位置清楚，补给水量占受注层的绝大部分。通过帷幕注射截断补给水源，降低水头压力，实现安全开采。如2001。2002年原国家庄矿浅部四灰帷幕截流工程，帷幕线长1700m，施工帷幕钻孔274个，注水泥14833t，粘土2594t，堵水效果达97．7％，可解放受水威胁煤炭358．7万t，陶阳矿中三井田浅部四灰帷幕截流工程长1160m，目前已完成900m，预计2008年竣工，可解放7层煤可采储量200万t。另外，白庄矿通过边界帷幕，减少平阴矿过水800m³/h，取得了显著经济效益。

3．9 采用物探技术  探明突水构造

 实践证明，物探技术防治水的指导作用越来越强，如音频电透技术，可以探查工作面底板的薄弱带、含水层的富水区，对注浆改造有着很强的指导性；直流电测深技术可以探测煤层底板隐伏的断层破碎带、导水通道、含水层、隔水层厚度等，也可用于巷道超前探查等。另外，矿井瞬变电磁法用于煤层顶、底板岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。此外，还有多种物探方法，在探测地质构造和含水异常区方面取得了较好的效果。

4 深部开采主要问题及对策

4．1 深部开采水害防治面临的主要技术问题

(1)随着开采水平的延深，即使五灰注浆改造很彻底，奥灰的突水系数也超过了规定要求。如表2。

表2  奥灰突水系数按O．1MPa／m计算工作面开采标高

注：区域奥灰水位按+45m计算。

    (2)奥灰厚度大、富水性强，动储量大(达2.8万m³/h)，补给充足。其顶界风化壳富水极不均一，无规律可循，给治理工作造成很大难度。

    (3)深部勘探程度低，断层分布情况不清楚，一旦遇到隐伏构造，突水机率很大，难以预测。

    (4)五灰注浆改造难度大。开采加深，水压升高，注浆压力低则注不进去浆，压力过高可能对底板岩体产生新的破坏，临界点很难掌握。尤其到深部，五灰裂隙发育极不均一，裂隙的连通性差，裂隙闭合，钻 孔注浆量小甚至注不进去浆，一旦开采，在矿压和水压的作用下，底板破坏深度与含水层沟通，极易造成突水。

    (5)随着开采深度的增加，矿压破坏深度加大。开采深度与底板破坏深度成正比，开采标高越深，突水的机率就越大。

4．2 深部开采水害防治工作思路及措施

 肥城矿区已有近五十年的开采历史，资源接近枯竭，上组煤开采已基本结束，下组煤开采面临诸多问题。目前，对深部开采水害防治总的思路和原则是：“查清条件，五奥兼治，绕避断裂，综合治理”。查清条件就是利用物探、钻探、化探、放水试验等手段查清开采区的水文地质条件，因地制宜地采取有效防治方法；五奥兼治就是既要注浆改造五灰，也要注浆改造奥灰，使奥灰突水系数降至0．1MPa/m以下，防止工作面突大水；绕避断裂就是对断裂等构造留足防水煤柱，躲避断层，避免巷道直接揭露断层和工作面采动造成断层导水，防止断层突水；综合治理就是根据不同的水文地质条件，采取条带开采、“双降”开采、注浆改造与疏水降压相结合等多种防治水措施，达到安全生产之目的。

    此外，还采取以下措施：

    (1)凡开采受水威胁的下山采区，必须首先建立满足生产要求的排水系统，为水文补勘奠定基础。同时有条件时实现采区隔离，先隔离后开采。凡是投产的新采区，开采前必须先进行水文补勘，通过放水试验，查清水文地质条件，有针对性的采取防治水措施，否则不得进行开采。

    (2)积极采用先进的物探技术，做到物探先行，钻探验证，查清水文地质条件，为防治水提供依据。

    (3)查清奥灰顶部30m范围内的富水性，分析其富水规律，为注浆改造提供依据。

    (4)改变采煤方法，变长壁采煤法为条带采煤法，缩小工作面长度，减小矿压对底板的扰动破坏深度。联合科研院校开展“深部开采受水威胁煤层采煤方法技术研究”课题，推广试用煤8在深部开采时采用条带充填法，对采空区进行矸石充填，减小采矿活动造成的底板破坏深度。

    (5)与科研院校合作，利用原位应力测试技术，测试采前和采动过程中原位应力参数，结合室内岩石力学测试参数，计算分析采动引起的底板最大破坏深度，以及隔水层在不同应力状态下的破裂强度，并对突水的可能性进行预测。

    (6)完善水动态自动监测系统，使五灰、奥灰水动态时时处于监控状态，为水文地质条件探查和预测预报提供基础资料。