冀中能源峰峰集團(tuán)九龍礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 萬t /a。礦井采用立井分水平開拓方式，一水平標(biāo)高－ 600 m，二水平標(biāo)高－ 850 m，礦井地面標(biāo)高+ 137 m 左右。礦井共有6 層可采煤層，主采煤層為2 號煤層和4 號煤層，6 號煤層以下煤層受奧灰水威脅暫不能開采，煤層煤質(zhì)為肥煤和焦煤。截至2010 年1 月1 日，礦井地質(zhì)儲量23 015. 9 萬t。

 

  1 礦井水文地質(zhì)條件

 

  1. 1 主要含水層

 

  井田煤系地層發(fā)育有煤系基底奧灰含水層、大青含水層、山伏青含水層、野青含水層和大煤頂板砂巖含水層等5 個(gè)主要含水層。

 

  1) 奧灰含水層。奧灰含水層厚500 ～ 600 m，分為3 組8 段，主要巖性為角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)或泥質(zhì)灰?guī)r、花斑灰?guī)r和厚層純灰?guī)r，其中2，4，5和7 段富水，8 段弱富水，1，3 和6 段為相對隔水段，奧灰具有統(tǒng)一的水位，水位標(biāo)高為+ 102—+ 106 m; 平均滲透系數(shù)2. 218 m/d，平均單位涌水量0. 634 L / ( s·m) 。礦化度5 000 ～ 7 400 mg /L，水質(zhì)類型為Cl － － SO2 －4 － Ca2 + － Na +。

 

  2) 大青含水層。巖性主要為深灰、青灰色石

 

  灰?guī)r，厚0. 40 ～ 6. 84 m，裂隙發(fā)育，多充填方解石。水質(zhì)類型為Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，水位標(biāo)高+ 118. 12— + 129. 28 m，平均滲透系數(shù)1. 931m/d，平均單位涌水量0. 01 L / ( s·m) 。

 

  3) 山伏青含水層。含水層厚1. 19 ～ 9. 73 m，平均4. 92 m，結(jié)構(gòu)致密，含燧石結(jié)核，局部裂隙發(fā)育。水位標(biāo)高為+ 110. 14 m，水質(zhì)類型為Cl － －SO2 －4 － Na + ，平均滲透系數(shù)2. 321 m/d，平均單位涌水量0. 075 6 L / ( s·m) 。

 

  4) 野青含水層。含水層厚0. 30 ～ 3. 40 m，平均2. 08 m，含燧石結(jié)核，裂隙不發(fā)育，富水性弱。

 

  水質(zhì)類型為Cl － － K + － Na +。平均滲透系數(shù)為0. 546 m/d，平均單位涌水量0. 019 L / ( s·m) ，生產(chǎn)中已大面積揭露，工作面回采正常涌水量一般為6 m3 /h，容易疏干。

 

  5) 大煤頂板砂巖含水層。含水層厚0. 8 ～18. 7 m，平均6. 60 m，巖性為細(xì)砂巖、中砂巖及少量粗砂巖，裂隙不發(fā)育，富水性弱。水位標(biāo)高+ 95. 77— + 122. 49 m，水質(zhì)類型為Cl － － HCO －3 －Na + ，平均滲透系數(shù)為0. 067 m/d，平均單位涌水量為0. 015 L / ( s·m) 。

 

  1. 2 隔水層

 

  從含水層水位、水量及水化學(xué)類型等方面來看，各含水層之間在正常情況下無水力聯(lián)系，各含水層之間存在良好的隔水層。奧灰與煤系地層呈假整合接觸，正常情況下不發(fā)生水力聯(lián)系，但遇落差較大的斷層或陷落柱時(shí)，奧灰便成為煤系含水層的主要補(bǔ)給來源。

 

  由以上敘述可知，大青含水層以上含水層富水性弱，影響4 號煤安全開采的含水層主要為大青含水層和奧灰含水層。

 

  1. 3 影響4 號煤開采的主要含水層水文條件分析1) 大青含水層。大青含水層上距4 號煤層底板70. 5 ～ 75. 8 m。2002 年開采的第2 個(gè)4 號煤工作面15421N 底板突水后，在15421N 工作面回風(fēng)巷施工了大青含水層水文孔，單孔涌水量6 m3 /h，水位+ 24. 49 m。2003 年在開采4 號煤的北翼地區(qū)進(jìn)行了大青含水層補(bǔ)充勘探工作，施工10 個(gè)水文孔，單孔涌水量0 ～ 200 m3 /h，水位－ 372. 9—+ 113. 7 m，其中6 個(gè)鉆孔幾乎無水。

 

  同時(shí)，2004 年在開采第3 個(gè)15431N 工作面時(shí)開展了底板巖體地應(yīng)力的測試研究工作: 4 號煤底板巖體的破裂強(qiáng)度8. 5 ～ 14. 1 MPa，抗拉強(qiáng)度為1. 5 ～ 2. 4 MPa，最小主應(yīng)力為4. 6 ～ 10. 1 MPa，最大主應(yīng)力為6. 8 ～ 17. 7 MPa，大青含水層水壓7. 1 ～ 7. 5 MPa，4 號煤底板存在大青含水層突水的可能性。因此必須降低大青含水層水壓才能保證安全開采。

 

  2007 年開采的第4 個(gè)15423N 工作面，采前施工了5 個(gè)大青含水層疏降鉆孔，最大單孔涌水量18 m3 /h，一般6 m3 /h，大青水位+ 27. 6— + 73. 6m，水質(zhì)類型Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，工作面三維立體電法勘探［3］和三維地震資料表明，工作面底板未發(fā)現(xiàn)其他導(dǎo)水構(gòu)造，據(jù)此分析15423N 工作面發(fā)生大青含水層災(zāi)害性突水的可能性不大。開采過程中15423N 工作面底板發(fā)生了大青含水層突水事故，穩(wěn)定突水量90 m3 /h。

 

  綜上所述，在自然條件下，大青含水層富水性較弱，與奧灰含水層水力聯(lián)系不密切，富水性明顯受構(gòu)造控制，局部與奧灰聯(lián)系地段富水性較強(qiáng)，對生產(chǎn)安全有影響。

 

  2) 奧灰含水層。九龍礦井田北部以F9斷層

 

  ( 落差80 ～ 160 m) 為界，西部以F8斷層( 落差85 ～ 750 m) 為界，南部以F26斷層( 落差150 ～160 m) 為界，東部以標(biāo)高為－ 900 m 的2 號煤底板等高線為界，基本輪廓為中間隆起，北、西、南下降，東部向深部延深的不完整地壘式構(gòu)造。礦井內(nèi)各主要含水層與外圍含水層基本失去水力聯(lián)系，大幅減少地下水的補(bǔ)給來源，形成地下水以靜儲量為主的水文地質(zhì)特征，為封閉較好的水文地質(zhì)塊段。

 

  九龍井田奧灰埋藏深度500 ～ 1 060 m，奧灰水主要通過西南進(jìn)水口流入井田，向北部、東部徑流。井田與鄰區(qū)相比水質(zhì)類型截然不同，水溫差異大，表明井田與區(qū)外水力循環(huán)交替不暢，徑流條件差，基本處于相對滯流狀態(tài)。

 

  為進(jìn)一步查明奧灰含水層的水文地質(zhì)條件，2008 年進(jìn)行了奧灰含水層的勘探工作，在最大放水量為420 m3 /h 的情況下，放水孔中心水位最大降深達(dá)120 m。

 

  奧灰含水層屬區(qū)域性含水層，具有厚度大、分布廣、靜儲量和水壓大的特點(diǎn)，如果具備暢通的通道條件，仍會導(dǎo)致災(zāi)害性水害的發(fā)生。

 

  1. 4 突水情況及原因分析

 

  九龍礦是峰峰集團(tuán)開采最深的礦井，4 號煤層底板承受奧灰水壓9. 3 MPa，截至目前已開采了4個(gè)4 號煤工作面，按照開采時(shí)間先后順序依次為15413，15421N，15431 和15423N 工作面。

 

  4 個(gè)4 號煤工作面均發(fā)生過煤層底板突水，15413 工作面最大突水量57 m3 /h，穩(wěn)定水量15m3 /h，目前已無涌水; 15421N 工作面最大突水量210 m3 /h，穩(wěn)定水量30 m3 /h; 15431 工作面最大突水量90 m3 /h，穩(wěn)定水量30 m3 /h; 15423N 工作面第1 次最大突水量540 m3 /h， 穩(wěn)定水量30m3 /h，第2 次突水最大水量7 200 m3 /min; 分析這4 個(gè)工作面的突水資料可得出4 點(diǎn)結(jié)論。①隨著開采工作面的周期來壓，工作面底板發(fā)生底鼓而突水，突水量在突水幾小時(shí)或幾天后迅速衰減。②隨開采標(biāo)高的降低，煤層底板突水由突大青水到先突大青水后突奧灰水，開采的4 個(gè)工作面中有3 個(gè)工作面突大青含水層水，最后開采的15423N 工作面表現(xiàn)為先突大青含水層水，然后突奧灰含水層水。

 

  在15421N 工作面突水后，工作面大青含水層水位下降200 m; 15423N 工作面第1 次突水后，工作面大青含水層水壓由5. 0 MPa 下降為1. 7 MPa，水位下降330 m。15423N 工作面第2 次突水后，工作面大青含水層水壓未下降，距工作面2 285 m 的奧灰含水層觀測孔水位最大降深達(dá)212. 37 m。③隨著開采標(biāo)高的降低，煤層底板突水的頻率越來越高，突水量越來越大; ④4 號煤工作面幾次突水都發(fā)生在回采期間，掘進(jìn)期間未發(fā)生突水。

 

  影響4 號煤開采的主要含水層為大青含水層和奧灰含水層。自然條件下，大青含水層富水性弱，與奧灰含水層水力聯(lián)系不密切，但在構(gòu)造或?qū)萋渲l(fā)育地段其富水性強(qiáng)，與奧灰含水層的水力聯(lián)系也較強(qiáng)。因該礦開采深度大，工作面承受大青含水層和奧灰含水層水壓高，在隔水層底板裂隙和構(gòu)造發(fā)育等薄弱地段易發(fā)生工作面底板突水，尤其在發(fā)育導(dǎo)水陷落柱地段易發(fā)生災(zāi)害性突水。2009 年1月8 日發(fā)生的特大突水的原因就是: 4 號煤工作面底板下41. 35 m 的位置，發(fā)育了1 個(gè)目前技術(shù)手段難以查明的7 m × 14 m 的小型導(dǎo)水陷落柱，減少了奧灰層面與4 號煤之間的隔水層厚度( 68. 65 m) ，在采動(dòng)破壞和水壓綜合作用下，奧灰水通過陷落柱突破煤層底板，造成15423N 工作面采空區(qū)的滯后突水［6］。

 

  與九龍礦相鄰的大采深礦井也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)陷落柱，如南側(cè)梧桐莊礦已發(fā)現(xiàn)4 例導(dǎo)水性極強(qiáng)的陷落柱，北側(cè)羊東礦區(qū)目前也發(fā)現(xiàn)了11 例陷落柱，現(xiàn)在九龍礦已發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)水性極強(qiáng)的隱伏陷落柱且已造成了嚴(yán)重的水害，因此不排除在其他地段發(fā)育強(qiáng)導(dǎo)水陷落柱的可能性，這些潛在的隱伏陷落柱就是九龍礦未來開采面臨的最大水害隱患。

 

  2 礦井防治水技術(shù)與對策

 

  基于上述對礦井水文條件的分析與評價(jià)，提出礦井防治水的技術(shù)與對策: 強(qiáng)化安全設(shè)施建設(shè)、查清礦井水文地質(zhì)條件并進(jìn)行超前綜合探測、封堵和注漿加固導(dǎo)水通道、合理疏水降壓以及綜合治理。

 

  2. 1 強(qiáng)化安全設(shè)施建設(shè)

 

  1) 增建礦井抗災(zāi)泵房，提高礦井抗災(zāi)能力。

 

  目前礦井排水能力最大為3 600 m3 /h，遠(yuǎn)不適應(yīng)礦井復(fù)雜的水文地質(zhì)條件環(huán)境，增建抗災(zāi)泵房可使礦井排水能力達(dá)9 000 m3 /h，確保工作面突水后，水小不淹采區(qū)、水大不淹水平、突水不淹礦井。

 

  2) 建設(shè)礦井隔離設(shè)施。根據(jù)礦井多年水文地

 

  質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)，建立分區(qū)、分水平、分煤層的隔離系統(tǒng)非常必要，一旦礦井某一區(qū)域或某一工作面發(fā)生超過排水能力的水害，關(guān)閉水閘能迅速切斷與其他區(qū)域的聯(lián)系，防止水害進(jìn)一步擴(kuò)大，最大限度地減小受災(zāi)面積，而且有利于快速進(jìn)行水害治理。

 

  3) 建設(shè)地面注漿系統(tǒng)。防范煤層底板灰?guī)r水突出的重要措施之一就是對工作面煤層底板破碎帶或裂隙通道進(jìn)行注漿加固改造和封堵，這樣可以提高煤層底板抵抗礦山壓力和底板灰?guī)r水水壓的能力，減少工作面底板突水的概率。而在井下實(shí)施高達(dá)10 MPa 以上的大量注漿是非常困難的，而且很不安全，會面臨注漿材料的運(yùn)輸、儲放和攪拌等諸多困難。為此，建立地面注漿站尤為重要。

 

  2. 2 查清礦井水文地質(zhì)條件

 

  查清礦井水文地質(zhì)條件是進(jìn)行礦井防治水工作的先決條件，只有查清了礦井水文地質(zhì)條件，才能采取有效的防治對策［7］，查礦井水文地質(zhì)條件有2個(gè)重點(diǎn): ①以礦井為重點(diǎn)開展水文地質(zhì)勘探工作;②以工作面為重點(diǎn)開展水文地質(zhì)勘探工作。要清查礦井水文地質(zhì)條件主要有以下工作。

 

  1) 地面綜合探測。設(shè)計(jì)采區(qū)前，首先采用地面三維地震手段，探明采區(qū)落差5 m 以上的斷層要素，控制斷層落差、產(chǎn)狀及其在走向和傾向上的變化; 查明區(qū)內(nèi)的陷落柱發(fā)育情況; 查明奧灰頂面起伏形態(tài)及埋深; 同時(shí)，利用地面可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法等電磁法物探手段，進(jìn)行采區(qū)綜合水文物探工作，確定斷層、陷落柱的含( 導(dǎo))水性及含( 導(dǎo)) 水深度和范圍; 查明區(qū)內(nèi)2 號煤以下各主要含水層至2 號煤的導(dǎo)水裂隙、通道發(fā)育范圍［8］。同時(shí)，為進(jìn)一步最大限度地利用原三維地震數(shù)據(jù)資料，對三維地震資料進(jìn)行精細(xì)解釋，對危害性較大的陷落柱及常規(guī)解釋難以反映出來的小構(gòu)造及裂隙發(fā)育帶進(jìn)一步精確解釋。

 

  2) 在工作面開拓、掘進(jìn)過程中的綜合探測。

 

  ①在巷道掘進(jìn)過程中接近地面物探確定的可疑導(dǎo)水異常區(qū)或發(fā)現(xiàn)水文異常時(shí)，應(yīng)立即停止掘進(jìn)，采用物探手段( 井下瞬變電磁法、井下直流電法) 進(jìn)行超前探測，探測巷道周圍是否存在含( 導(dǎo)) 水?dāng)鄬?、? 導(dǎo)) 水陷落柱或含( 導(dǎo)) 水裂隙異常，探明這些異常的發(fā)育位置和范圍。對探測到的異常區(qū)再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，從而查明掘進(jìn)前方以及巷道周圍的水文地質(zhì)條件，制定相應(yīng)的防突水治理措施。

 

  ②在井下生產(chǎn)區(qū)域巷道進(jìn)行瞬變電磁法和直流電法勘探，確定大青含水層富水地段或地質(zhì)、水文地質(zhì)異常地段; 然后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和放水連通試驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常則制定注漿加固治理方案并進(jìn)行治理。③對地面探測效果不好、不具備地面探測條件以及構(gòu)造發(fā)育地段，采取逢掘必探、有疑必鉆的探測方針，采用DTC － 150 防爆地質(zhì)超前探測儀和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行超前探測，避免突然揭露導(dǎo)水構(gòu)造而導(dǎo)致水害事故的發(fā)生。

 

  3) 工作面回采前的底板綜合探測。工作面貫通后在井下采用井下瞬變電磁法、立體三維電法、無線電坑透儀進(jìn)行煤層和煤層底板含水層富水性及導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況的探測，對物探資料進(jìn)行綜合分析，得出工作面內(nèi)及四周含( 導(dǎo)) 水構(gòu)造、含水裂隙帶及底板巖層富水性情況，并用鉆探手段對物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，然后制定綜合治理措施。

 

  4) 大青含水層和奧灰含水層放水連通試驗(yàn)。

 

  放水試驗(yàn)是查水文條件的有效方法，在井下施工大青含水層和奧灰含水層放水孔，進(jìn)行放水連通試驗(yàn)，確定奧灰含水層疏降可行性和奧灰含水層補(bǔ)給大青含水層的地段，制定專項(xiàng)注漿封堵方案，切斷2 個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系。

 

  2. 3 封堵和注漿加固導(dǎo)水通道

 

  根據(jù)綜合探測的導(dǎo)水通道和裂隙帶發(fā)育的高度、范圍、深度和含水層富水地段的發(fā)育范圍等編制專門的注漿方案，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對鉆孔布置、注漿材料、漿液配比、注漿壓力等作出明確規(guī)定。注漿后的效果要達(dá)到將裂隙充填密實(shí)，使強(qiáng)含水層段變?yōu)槿鹾畬佣?，甚至隔水層段，從而避免工作面回采期間的底板突水。

 

  2. 4 合理疏水降壓

 

  奧灰含水層和大青含水層的高水壓是導(dǎo)致4 號煤開采突水的主要原因，因此開采前應(yīng)對奧灰含水層和大青含水層進(jìn)行疏水降壓，將水位降至安全水位以下。對奧灰含水層初步勘探資料的分析發(fā)現(xiàn)，奧灰含水層水位有疏降的可能，在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)許可的條件下，對奧灰水進(jìn)行適當(dāng)疏降，降低奧灰水壓; 開采時(shí)可以在井下工作面附近施工奧灰放水孔，形成以工作面為中心的降落漏斗，開采期間放水，工作面開采結(jié)束后關(guān)閉鉆孔閥門或進(jìn)行封孔，對大青含水層直接疏水降壓即可，從而降低奧灰含水層和大青含水層的突水危險(xiǎn)性。

 

  2. 5 綜合治理

 

  在采取疏水降壓、封堵導(dǎo)水通道和注漿加固等其他防治水技術(shù)措施的情況下，采取小面開采、水情監(jiān)控、水害預(yù)警、留設(shè)防水煤柱和充填開采等綜合防治水技術(shù)措施。

 

  1) 小面開采。目前九龍礦4 個(gè)4 號煤工作面傾斜長130 ～ 170 m，應(yīng)優(yōu)化工作面設(shè)計(jì)，縮短工作面傾斜長到70 ～ 80 m，最大限度地降低采場應(yīng)力對煤層底板的破壞，從而減少突水概率。

 

  2) 水情監(jiān)控。對礦井水位、水壓和水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)水位、水壓和水量的變化，適時(shí)作出超前防范對策。

 

  3) 水害預(yù)警。工作面回采前安裝微地震或分布式電法水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可在工作面發(fā)生水害前發(fā)出預(yù)警，以便及時(shí)采取防治水措施，避免發(fā)生水害事故。

 

  4) 留設(shè)防水煤柱。在查明的大斷層、地層薄弱地段以及目前技術(shù)條件下難以治理的地段留設(shè)防水煤柱，以減少構(gòu)造地段發(fā)生水害，從而保證生產(chǎn)安全。

 

  5) 條帶開采。條帶開采可有效降低采動(dòng)應(yīng)力

 

  和采動(dòng)效應(yīng)，最大限度地減小煤層底板破壞深度，應(yīng)對條帶開采方法進(jìn)行試驗(yàn)。

 

  6) 充填開采。目前冀中能源膏體充填、似膏體充填、高水材料充填等充填技術(shù)十分成熟，可將充填技術(shù)應(yīng)用到受水威脅的4 號煤層開采防治水技術(shù)中，可大幅降低采動(dòng)影響和煤層底板破壞深度，提高開采安全程度。