郭中平

(陕西美鑫矿业有限公司，陕西 铜川 727102)

0 引言

焦坪矿区位于黄陇侏罗纪煤田东北部，大地构造位置处于鄂尔多斯盆地南缘，总体为倾向北西的单斜构造，地层倾向在单斜的基础上又发育了一系列走向东北的宽缓褶皱。其中，王家沟背斜、三官庙背斜、七木桥背斜把全矿区分隔成新村—建庄、山神梁、杏树坪—玉华川、陈家山—上石节4个分区。本井田位于杏树坪—玉华川分区。矿区内未发现大的断层及岩浆岩，构造属简单类型。焦坪矿区冶坪煤矿在开采设计时，为进行资源整合，需明确水害类型及危害程度[1-3]，并制定有针对性的防治措施，进而确保矿井的安全生产。

1 工程背景

井田主要开采3号煤层，未来矿井煤层直接充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩含水层与侏罗系中统延安组砂岩含水层。侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙含水层岩性由紫灰色、紫红色、灰绿色泥岩、粉砂岩、中粗粒砂岩组成，粒度向下部逐渐变粗，富水性弱。该层全井田分布，厚度23.67～107.70 m，平均厚度69.21 m。侏罗系中统延安组砂岩裂隙含水层为井田含煤地层，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。岩性由深灰色、灰黑色砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成。根据YK3-7号钻孔对J2z+ J2y地层进行的混合抽水试验，得出钻孔涌水量0.014 L/s，单位涌水量0.000 12 L/(s·m)，水位埋深190.12 m，渗透系数为0.000 066 m/d，矿化度0.645 g/L，水质为SO4·HCO3-Na型水，且富水性弱。

2 水害类型及威胁程度

2.1 充水水源

第四系潜水由于未被导水裂缝带导通，故其为矿井充水的补给水源[4-5]。洛河组含水层地下水由于富水性中等，且部分被导水裂缝带导通而成为未来矿井的主要和间接充水水源，对煤层开采会造成直接的威胁。煤层顶板延安组和直罗组均为承压水，其富水性弱，易于疏干，为未来矿井的次要和直接的充水水源，对煤层开采不会造成大的威胁。3号煤层直接充水含水层为直罗组和延安组砂岩裂隙含水层，因此，冒落、导水裂缝为未来矿井的主要充水通道。矿井4-2号煤层直接充水含水层为直罗组和延安组砂岩裂隙含水层，部分地段洛河组砂岩裂隙水(富水性中等)通过导水裂缝带也可能直接进入矿井，成为煤层的间接充水含水层。煤层顶板导水裂缝带内洛河组富水性强、延安组和直罗组富水性弱，使洛河组成为未来矿井主要的充水水源，对未来矿井的生产会造成大的影响，故未来矿井应做好洛河组含水层的防水工作[6-7]。而延安组和直罗组、地表水、大气降水对矿井生产影响不大，做好预防人为因素导致的地表水或第四系潜水进入矿井。

2.2 采空区及地下水

2.2.1 采空区积水

经调查井田内无生产矿井及小窑。井田东部相邻崔家沟煤矿，南部为下石节煤矿。相邻这两座煤矿已生产多年，矿井生产中必须严格执行《煤矿防治水规定》，加强工作面探放水，严防相邻矿井越界回采形成的采空区积水、积气造成安全事故。先前地质报告未收集到相邻矿井采空区位置、范围、积水、积气情况，下一步应继续收集这方面资料，为矿井的安全生产提供可靠依据。该矿井共开采3号、4-2号煤层，存在资源压覆，先开采上覆3号煤，开采下覆4-2号煤层时，会存在3号煤层采空区积水问题，影响4-2号煤层的开采，造成矿井突水的可能。

2.2.2 地下水补给

该区构造简单，沟谷坡降比大，利于大气降水的排泄，地下水补给条件较差。据钻孔抽水试验资料显示，单位涌水量为0.000 12 L/(s·m)，远远小于0.10 L/(s·m)，故未来矿井水文地质勘探类型确定为以裂隙充水为主的简单型，即Ⅱ类Ⅰ型。

3 矿井水害防治措施

3.1 开拓开采所采取的安全保证措施

3.1.1 开拓工程位置及层位选择

矿井采用斜井开拓方式，工业场地选址于本井田的中南部，位于陈家台沟下游的安子沟外，此处自然地形复杂，沟道狭窄、沟道最宽处为100 m左右，场地自然标高+1 317～+1 365 m。冶坪工业场地位于一狭长的南北向沟谷内，工业场地南北向延展较长，北部工业场地防洪高程不低于+1 365.5 m，场地实际平均标高为+1 366.0 m，南部工业场地防洪高程不低于+1 323.66 m，场地实际平场标高为+1 331.3 m，工业场地高程高于校核洪水位。矿井开拓大巷沿3号煤层顶板布置，大巷东西向贯穿井田中部，大巷东高西低，为了大巷涌水能够顺利排出，需在大巷东部设置一采区水仓及排水泵房。

3.1.2 采掘工程所采取的防治水措施

在实际采掘工作中必须执行“有疑必探、先探后掘”的探水原则[8-9]；在靠近井田东部边界及对下伏煤层4-2号煤层进行采掘时，必须先进行探水，再进行回采或掘进，保证回采安全。生产过程中，若遇到富含水层或涌水水源，采取防、堵、截、疏、排等综合防治措施，严防矿井开采过程中溃水，保证矿井安全生产。在回采下伏煤层时，应先对上覆采空区进行探、排、疏水，并做好相应的防治措施。主水泵房的管子道高出泵房地坪7 m以上，并留有足够空间，便于下放抢险设备和撤退人员。在主排水泵房通道内设置密闭门，确保发生水灾时，水泵仍能正常工作。井下沿煤层布置的巷道，受煤层起伏影响，巷道中会出现积水现象，在矿井生产期间应根据实际情况，在巷道适当位置设置水窝，由小水泵将水窝水排至巷道水沟流入井底水仓，保证井下巷道运输畅通。

3.2 防隔水煤(岩)柱留设

井田主要沟流为陈家台沟及大西沟沟流，均属长年性流水，流量随季节性变化，流量较小，经计算煤层开采后采空区导水裂缝带不会导通地表水，因此不需要留设地表水体防水煤柱[10]。根据《煤矿防治水规定》中相邻矿(井)人为边界防隔水煤柱留设的规定，水文地质简单型到中等型的矿井，可采用垂直法留设井田边界防水煤(岩)柱，但总宽度不得小于40 m。通过计算，开采3号煤层时，设计在本井田边界一侧留设宽度为20 m井田境界煤柱。开采4-2号煤层时，设计在本井田边界一侧留设宽度为35 m井田境界煤柱。设计相邻采区之间留设20 m宽的采区边界防水煤柱，每侧10 m。该矿井为新建矿井，井田内无采空区及小煤矿老空区，因此，不需要留设采空区防水煤柱。

3.3 探放水措施

3.3.1 方法及设备选择依据

由于井田无带压开采区，因此无需采取疏水降压措施。严格坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字方针和“物探先行、化探跟进、钻探验证”的综合探测手段的规定[11]。在需要探放水前，必须编制探放水设计，并采取安全措施。探放水方法应以钻探为主，物探、化探为辅。探放水设备选择必须能用于井下探水、放水、煤层注水、断层及巷道底板注浆、灭火等钻孔及勘探地质构造孔的施工，必须防爆及获得煤安标志。

3.3.2 探放水设备型号及数量

确定积水范围后，探水线应沿积水线外推60～150 m，因此确定探水钻机的钻进深度应达到150 m。采煤工作面各配备2台MAZ200型探水钻机，1用1备；每个综掘工作面各配备1台TXU-150型探水钻机，另外备用了1台。全矿井共配备5台探水钻孔具体参数见表1。

表1 TXU-150型钻机参数

3.3.3 探放水时的安全措施

探放水前必须编制专项作业规程，并经会审批准后方可实施。组织技术人员、施工人员作业流程，钻孔的位置、方向、角度必须由测量人员和负责探放水的技术人员亲临现场共同标定。编制水害紧急处理预案，并向井上下作业人员进行详细的培训传达，熟悉水灾避灾路线，在水害发生时有组织的采取相应的处理措施。探放水的巷道内，若存在低洼易积水段，必须配备和放水量相匹配的排水设备。

3.4 地表水害防治措施

3.4.1 地表防治水设计依据

气象条件：本区属大陆性半干旱气候，年降雨量491.9～892.6 mm，平均为650 mm，降水集中在6～9月份。年平均蒸发量为1 183～1 346 mm，年平均气温为9 ℃，最高37.1 ℃，最低-28 ℃，霜冻期为当年11月下旬至来年3月。

地形及水系概况：矿井位于陕北黄土高原之南部，属中-低山森林区，区内地形复杂，山峦起伏、陡峭，地势东西高，中南部低，最高点位于东北部边缘一带，标高+1 705.9 m，最低点位于西南部的东沟沟谷，标高+1 230.9 m，相对高差475 m，一般为200～250 m左右。本区以凤凰山至长蛇岭为分水岭，以北为洛河水系，以南为渭河水系，为中低山侵蚀型山岳地貌。矿井工业场地范围内地表水系为东沟，东沟属洛河水系，向南经杏树坪、瑶曲镇于柳林镇汇入沮河，安子沟和大西沟分别为东沟上游的2个支沟，在粉院汇合后称为东沟。

防洪标准：冶坪煤矿为大型矿井，矿井工业场地的防洪标准按重现期百年一遇的洪水设计,此外，尚需按重现期三百年一遇洪水进行校核。设计防洪水位为计算水位加安全高度确定，该矿井位于山区，规范规定安全高度为1.0 m。

3.4.2 工业场地地表水防治措施

流量计算：工业场地以上安子沟汇水面积为5.12 km2，流域长度3.9 km，依据当地经验公式，结合当地流域特征，经计算得：百年一遇洪峰流量为59.5 m3/s，三百年一遇洪峰流量为80.7 m3/s。场前区位于大西沟沟口与东沟汇合处，大西沟汇水面积为6.85 km2，流域长度4.1 km。依据当地经验公式，结合当地流域特征，经计算得，百年一遇洪峰流量为73.2 m3/s，三百年一遇洪峰流量为98.8 m3/s。此外，安子沟与大西沟汇合后的百年一遇流量为110.74 m3/s，三百年一遇洪峰流量为125.69 m3/s。回风斜井井口处百年一遇防洪标高为+1 360.00 m，三百年校核标高为+1 360.20 m，井口平场标高为+1 364.00 m；副斜井井口处百年一遇防洪标高为1 353.20 m，三百年校核标高为+1 353.40 m，井口平场标高为+1 355.70 m；主斜井井口处百年一遇防洪标高为+1 352.60 m，三百年校核标高为+1 352.80 m，井口平场标高为+1 355.45 m。

沟道改移：安子沟自北向南方从工业场地流过，为保障顺利泄洪，避免洪水对场地的威胁，同时便于场地的布置，经方案比较需对安子沟进行改移。结合主副井工业场地布置，安子沟改移至场地西侧，采用明渠及涵洞相结合的方式将洪水排至东沟内。场地最北侧至35 kV变电所采用底宽4 m，高4.5 m的矩形断面，曲线处半径不小于35 m，长度为350 m。据此计算，初步确定预留瓦斯抽采站处防洪高程要不低于+1 365.5 m。工业场地北侧标高满足规范所规定的防洪要求，故场地不受安子沟洪水威胁。35 kV变电所至主副井工业场地最东侧采用1～4 m拱涵，曲线处半径不小于70 m，涵长800 m，在安子沟与大西沟交汇处汇入东沟沟内。据此计算，初步确定主副井工业场地最南侧的防洪高程不低于+1 323.66 m，场地实际平场标高为+1 331.3 m。工业场地南侧标高满足规范所规定的防洪要求，故场地不受安子沟与大西沟洪水威胁。

排水沟修筑：主副井工业场地东侧有道较大冲沟，支沟的汇水面积为1.6 km2，经水文计算，百年一遇洪峰流量为25.7 m3/s，结合场地布置，为避免冲沟洪水进入场地，需沿场地东侧修筑矩形排水沟汇入东沟，底宽及高度均不小于2.5 m。场前区位于东沟西侧，场地的布置占用了东沟右侧的滩地，为确保场地不受洪水威胁，经计算北侧断面处防洪高程为+1 322.44 m。南侧断面防洪高程为+1 311.72 m。场地自北向南的平场高程为+1 333.00 m和+1 326.21 m。场地西侧位于山体挖方段，为防止坡面雨水对场地产生威胁，确保场地安全，经水文计算，结合场地布置需沿场地西侧修筑矩形排水沟汇入东沟，底宽1.5 m，高度1.8 m。

平场方式：为确保场地安全，在挖方地段坡顶设置截水沟，拦截上游地表径流，引至原沟道。结合场地布置，为了满足生产、运输、安全及排涝需要，采用连续式平场方式，坡度不小于0.5%，使场内雨水自然排出，最终汇入自然沟槽，保障场地不受内涝威胁。

4 结语

洛河组会成为矿井主要的充水水源，对未来矿井的生产会造成大的影响。相比之下，延安组和直罗组、地表水、大气降水对矿井的生产影响较小。因此，除了预防人为因素导致地表水或第四系潜水进入矿井外，应重点做好洛河组含水层的防水工作。在矿井水害防治措施方面，开拓工程位置及层位选择时，应考虑采区水仓及排水泵房的布置。探放水方法应以钻探为主，并严格按照所制定获批的作业规程操作，而地表水防治时应以工业场地沟道改移和排水沟修筑为主。