山东省煤矿奥陶系灰岩水害及其防治对策研究

尹会永1，魏久传1，刘同彬1、2，郭建斌1

(1．山东科技大学地质科学与工程学院，山东青岛  266510；

2．新汶矿业集团有限公司，山东新泰  271233)

   山东是我国煤炭资源大省，2007年产量达到13580万t，占全国总产量的10％。但山东煤炭资源开发历史悠久，开采深度越来越大，煤矿安全事故时有发生。国有重点煤矿从1949～2004年共发生重特大水害事故55起，造成死亡事故25起，死亡431人。地方煤矿从1972～2004年共发生重特大水害事故4l起，死亡351人。山东省内煤矿受奥陶系承压水影响的矿井128对，占全省煤矿总数的54％，可见，煤层底板奥陶系灰岩水害是山东省煤矿水害最主要的类型之一。而且，随着开采水平的延深，奥陶系灰岩水压越来越高，奥陶系灰岩水害范围还将继续扩大。

1  山东省奥陶系水文地质概况

山东境内的奥陶系，分布在沂沭断裂带的昌邑一大店断裂以西的广大地区，属陆表海相碳酸盐岩建造，发育中、下统，缺失上统。马家沟组由相间分布的白云岩、灰岩组成，其由下而上划为东黄山白云岩段、北庵庄石灰岩段、土峪白云岩段、五阳山石灰岩段、阁庄白云岩段、八陡石灰岩段、新汶白云岩段等7个段(相当于组)。该组总厚．561～1267m。这一巨厚石灰岩中的喀斯特比较发育，总体富水性好。在肥城、新汶、淄博等大部分矿区广泛出露于地表，能广泛地接受大气降水的补给，与地表水体也有水力联系。在覆盖区如兖州、济宁等矿区，与冲积层底部含水层也有较好的互补关系。地下水动、静储量十分丰富。

    奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶水广泛分布于鲁中南山区及山前隐伏灰岩区。石灰岩山区，岩石裂隙岩溶发育不均一，一般弱富水，单井涌水量<500m³/d；在有利的地貌、构造条件下，单井涌水量增强到500～1000m³/d，或>1000m³/d。水位埋深<100m，部分>100m。山前隐伏灰岩区，裂隙岩溶发育，岩溶发育深度40～300m，灰岩顶界面埋深<200m，富水性强，单井涌水量>1000m³/d，局部<1000m³/d。水位埋深<10m至自流，分布有流量>l万m³/d的岩溶大泉如麻湾泉、泉林泉、趵突泉等30余处，形成平阴一济南、淄博一青州、泰安一莱芜、大汶口一新泰、泅水一临沂、羊庄一枣庄等多处岩溶富水地段，为本省城市工业主要供水水源。

2  山东省煤矿奥陶系灰岩水害特征

2．1 奥陶系灰岩水害特征

    到目前，山东省煤矿共发生奥灰突水达到上百起，突水量从几十m³／h到几万m³／h，大小相差较大，如肥城矿务局国家庄矿1993年突水，最大水量3．3万m³／h，直接经济损失1．35亿元；淄博矿区先后淹井9次，淹水平2次，淹采区6次，直接经济损失1．13亿元。山东省发生重大奥灰突水事故见表1。另外一个主要特征是奥陶系灰岩水害影响范围广，山东省内煤矿受奥陶系底板承压水水害影响的数量居多，占全省煤矿总数的54％，山东省受奥陶系底板承压水害影响的煤矿详见表2。

2．2  突水类型划分

    总结奥灰突水事件，其主要类型有正常底板型突水、沟通断层型突水、裂隙型突水、沟通陷落柱型突水、封闭不良钻孔导通型突水等。

2．3  突水影响因素

    通过分析历次奥灰突水事故，影响奥陶系灰岩突水的主要因素即地质构造、底板岩层岩性及其组合特征、含水层的富水性、含水层水头压力、矿山压力及地应力等六因素。奥灰的富水性是基本因素，构造裂隙发育和高水压是主导原因，采动矿压是促进因素，底板岩层及其组合起到阻隔作用，地应力作为附加力源。从表1中可以看出，历次重大奥灰突水灾害均与地质构造有关，其主要导水通道有三种：

    (1)断裂构造带导水通道。尤其是正断层，包括断层带和构造影响带，此部位造成断裂带富水性强，成为沟通奥灰的主要通道。1985年9月2日新汶矿业集团潘西煤矿6194西工作面正常推进时，底板发生渗水现象，因水压渐大，形成突水。原因为：突水点位于F1，下盘和F5一。上盘的复杂地段，断层影响带裂隙发育，奥灰水沿此裂隙带进入矿井，导致突水。表1中淄博北大井、双山矿、夏庄矿二井及肥城杨庄矿等发生的水灾害事件均与断层有关。

    (2)网络裂隙导水通道。岩体中裂隙发育是普遍存在的，裂隙将在采动矿山压力和奥灰水压共同影响下，裂隙发生扩展、连通，最终形成导水通道。肥城陶阳矿。1985年8月6日在工作面下头20m，沿斜交煤壁一条200ram宽的原生裂隙，水量突增至280m3／h，8月7日水量猛增至1220 m3／h，8月8日水量增至4000 m3／h，淹没一90泵房，8月12日淹没中一井田。瞬时最大涌水量为17940 m3／h，出水点标高为一55m。

    (3)陷落柱导水通道。陷落柱作为奥陶系灰岩水的一个通道和突水口，比导水断层的危害程度要大得多。在我省大部分煤矿区都发现有陷落柱存在，但尚没有发现明显的导水陷落柱。尽管如此，对陷落柱沟通奥灰水不容忽视。

3  防治对策研究

3．1  防治工作主要思路

    煤层底板奥陶系灰岩水害防治工作主要思路是：首先查明矿区(井田、采区)水文地质条件，包括徐、奥灰的富水性与富水区域、隔水层岩性、厚度及其变化、力学性质、含水层的水位(水压)、承压水的导升高度等15 J。对底板突水的可能性(危险性)进行评价。并根据底板突水危险性确定开采方案。选择带压开采、疏水降压开采、中间层改造等措施。对导水断层或经分析可能的导水断层，要留设煤柱。对突水危险性大的矿井，要采取分区隔离措施。对于徐灰，主要采取疏(水)、改(造)措施，对奥灰则主要采取”防”的措施，条件允许情况下，奥灰水也可进行疏放。

3．2  主要防治对策

    (1)探明采区内可能存在的中小型断层，各条断层导水性和两盘主要含水层的对接关系；徐、奥灰与可采煤层之间的问距和岩性结构变化；探明隔水岩组岩性、结构、厚度等的变化；观测、研究煤层采动后对底板岩石的破坏深度和有效隔水层的抗水压能力等；按构造块段分别计算确定其可供带压开采的安全水压值和合理水位疏降值。

    (2)全面设防。主要包括；①留设矿井边界及各分区边界隔离防水煤柱；②建立全矿和分区的防水安全体系，建造全矿性和各分区防水、控水安全隔离闸门，确定安全避灾路线，在原有排水能力的基础亡，增建必要的抗灾强排设施；③建立井上下各主要含水层的水量、水位(水压)监测系统；④对可能存在的隐伏导水构造．要逐面、逐条加以查明。

    (3)安全带压开采，通过严格控制采面的长度、采高、开采强度等，达到控制底板岩石的采动破坏深度。在开采时，要有一套严格的开采技术管理制度和监测方法，随时取得必要的测试数据，指导安全开采。

表l  山东省煤矿发生重大突水事件一览表

表2  山东省受奥陶系灰岩水害影响煤矿一览表(128对矿井) 

    (4)查明徐、奥灰含水层之间的水力联系、主要补给通道和可能的补给量等，通过注浆加固底板隔水岩组中的薄弱环节(构造断裂)或补给通道；在条件适宜情况下，改造徐灰，扩大隔水岩组的范围、改善岩组的结构，提高岩组的综合抗水压能力，把含水层改造为相对隔水层；

    (5)查明奥陶系灰岩顶界面以上可能存在的“原始导水带高度”，或其顶界面以下可能存在的弱含水段的高度。对前者要切实防范，对后者要尽可能改造利用。

    (6)“突水系数”高于安全临界值时，必须采取疏堵结合，疏水降压或扩大、改善隔水岩组等方法，使其符合安全带压开采的要求。其中，奥陶系灰岩水的疏降水位，以雨季能回升的最高水位作为计算、评定的依据，达不到要求时，切忌冒险开采。

    (7)对奥陶系灰岩的界面(含原始导水带的顶面)、导水断层、导水陷落柱和钻入奥陶系灰岩而封堵不良的钻孔等，除预先按规程留设防水煤(岩)柱外，还要划定警戒线，禁止任何井巷工程进入。

   (8)建立徐、奥灰含水层水文地质动态长期观测系统，为制定防治水措施提供依据。

参考文献：

[1]魏久传，李白英．承压水上采煤安全性评价[J]．煤田地质与勘探，2000，(4)：57—59．

[2]卜昌森，张希诚，尹万才，等．“华北型”煤田岩溶水害及防治现状

[J]．地质论评，2001，(4)：406—407．

[3]尹会永，魏久传，李子林，等．潘西煤矿断裂构造突水机制探讨

[J]．山东科技大学学报(自然科学版)，2007(1)：30一32．

[4]赵苏启．郑州矿区奥灰一寒灰水害与防治技术[J]．煤炭科学技术，2002，(2)：5．

[5]虎维岳．矿山水害防治技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2005：8一10．

作者简介：尹会永(1979一)，男，河北衡水人，2005年毕业于山东科技大学获硕士学位，助教，博士研究生，主要从事矿业地质及水文地质教学与科研工作，已发表论文9篇。