过采空区安全技术措施.docx
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过采空区安全技术措施
山西高平科兴平泉煤业有限公司
关于过周边相邻矿井、采空区的安全技术措施
第一节区域水文地质概况
该区处于沁水盆地东部，区域水文地质单元属高平—晋城盆地三姑泉域。
区域北部的高平丹朱岭山脊为分水岭，岭南为黄河流域丹河水系，岭北为海河流域浊漳河水系南源。
区域西北部以武神山、虎头山、尹侯山的丹河与沁河地表分水岭为界。
西南以晋获断裂带断层为界，与延河泉域毗邻；东至太行山麓隔水层隆起地带。
晋城三姑泉为区域岩溶地下水的最终排泄点，出露丹河河谷中，泉水出露标高为302.33m，流量约3—3.5m3/s。
此外，在焦作以北一带，由于下寒武系隔水岩层隆起阻水，使地下水以潜流或泉的形式流出地表。
近年来，由于矿区排水和工农业用水增加，造成地下水位下降，泉水干枯，因而人工排泄代替了自然排泄。
科兴平泉煤业井田位于三姑泉域西北部，为近泉域西北部补给区边缘末端、泉域径流区上游。
区域内河流为黄河流域丹河水系，丹河发源于高平市的丹朱岭南侧，支流呈树枝状，流量不大，故在干旱季节多断流。
丹河在河南境内汇入沁河，后汇入黄河。
其在山西境内河段长121.50km，流域面积为2949km2。
由于地形和构造条件的影响，随着地形由北向南降低，地下水由北向南迳流过程中，遇有特定条件的地段地下水便以上升泉的形式排泄于地表，如白洋河泉、郭壁泉等
区域含水层按介质可分为碳酸盐岩类含水岩组，碎屑岩类夹碳酸盐岩类含水岩组、碎屑岩类含水岩组及松散岩类含水层组四类，自下而上分述如下：
一、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组
区域内主要以奥陶系中统石灰岩岩溶、溶洞裂隙发育，泥灰岩相对隔水。
据区域资料，钻孔单位涌水量0.0045-45.50L/s.m，水质属HCO3·SO4或HCO3型。
富水性强，地下水总的流向是由北向南。
由于丹河的切割，形成大量裂隙泉，排泄地下水。
二、石炭系上统太原碎屑岩类夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组
由K1等数层砂岩裂隙水及K2、K3、K5石灰岩岩溶裂隙含水层组成，其中以K1、K2、K3、K5发育稳定，是主要含水层，但一般富水性弱，单位涌水量为0.00049-0.0027L/s.m，水质类型为HCO3·SO4或HCO3型水。
三、二叠系山西组及上、下石盒子组碎屑岩类砂岩裂隙含水岩组
主要由K7、K8等数层粗、中、细砂岩裂隙含水层组成，单位涌水量0.012-0.024L/s.m，渗透系数为0.01-0.032m/d。
该含水岩组埋藏于松散层之下，与上部孔隙含水层水力联系密切，水化学特征相似，水质类型为HCO3型水。
四、第四系冲积层松散岩类孔隙含水层组
孔隙潜水，由砂土、砂及砾石组成，一般含水层厚约2-5m，分布于河谷地带，含水层埋深2-15m不等。
一般在河谷地带，当松散层之下有相对隔水层时，形成较富水的含水层；在坡梁处，一般透水而不含水。
水井涌水量小于100m3/d，受大气降水补给，随季节变化大，据调查，富水期7－9月，贫水期1－4月，为当地居民主要用水水源。
水质类型为HCO3型水，矿化度小于0.5g/L。
第二节矿井水文地质
一、地表水
井田河流水系较多，南部有一小型水库—东宅水库。
井田西北边界外2.2km有许河，由西南向东北流过，最高洪水位898.6m，最终汇入丹河，属黄河流域沁河水系。
井田内沟谷多为“V”字型黄土冲沟，一般无水，雨季沟谷可有溪水，其北部沟谷汇水流入许村河，南部汇水东宅水库。
区内各井口中原平泉煤矿的主、副井标高位于当地最高洪水位以下，要防止雨季洪水直接涌入井筒，造成水害事故。
二、含水层
井田含水层自下而上有奥陶系中统马家沟组石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组、下石盒子组砂岩裂隙含水层及第四系松散岩类孔隙含水层。
1．中奥陶统石灰岩岩溶裂隙含水层
井田内无出露，埋藏较深，为溶洞裂隙水，由厚层石灰岩及薄层泥灰岩组成，全厚约400余m。
据大阳井田勘探成果及邻近的野川井田勘探成果，该含水层组有4层溶洞层，单位涌水量在0.7—45.50L/s·m，水质为HCO3·SO4—Ca·Mg型水。
据本次勘探施工S203号孔水文孔，其静止水位进行了观测，静止水位标高为535.95m。
据此推断该井田应在535—537m之间，由西北流向东南。
2．上石炭统太原组碎屑岩类夹石灰岩岩溶裂隙含水层
主要由太原组K2、K3、K4、K5等灰岩岩溶裂隙各含水层组成。
①K2–K3灰岩岩溶裂隙含水层
为石灰岩层间溶洞裂隙水，据本次勘探资料，一般厚度K2为8.42m，K3为3.38m，岩层发育稳定，岩溶裂隙发育不均一,钻进时冲洗液消耗量为0.10-5.67m3/h。
据大阳井田勘探资料，浅部（马村、东周、东大阳一带），岩性破碎，消耗量大于12m3/h，未见水位，说明具有一定的充水空间，由于下部铝土泥岩、受上述强烈溶蚀作用及构造影响，易于风化，失去隔水作用，因此溶洞大部分没有藏水，深部则岩性较完整，单位涌水量为0.000044—0.00044L/s·m。
渗透系数为0.00031—0.0081m/d，水位标高782.12—782.13m，水质为HCO3·Cl—Ca·Na型水，含水微弱，但本层为15号煤的直接顶板，开采时仍将为主要充水水源，特别是浅部，为溶洞裂隙发育及浅层水的直接渗透补给地段，应予重视。
另外据邻近的野川勘探资料，其浅部溶洞发育，Y–34孔溶洞高度0.10–0.65m，钻进时冲洗液全部漏失，最大消耗量达10.20L/h。
深部岩芯完整，裂隙发育较差，水量很小。
②K4灰岩岩溶裂隙含水层
岩性为黑灰色石灰岩，一般厚1.73m，岩溶裂隙发育不均一，据本次勘探资料，钻进时冲洗液消耗量为0.02–5.97m3/h。
③K5灰岩岩溶裂隙含水层
为石灰岩层间溶洞裂隙水，K5一般厚3.13m，岩层稳定，含水层强弱与赋存深浅有密切关系，岩溶裂隙发育不均一，钻进时冲洗液消耗量为0.02-5.30m3/h。
据大阳勘探资料，含水性浅部与深部差异很大，钻孔单位涌水量大者24L/s·m，小者0.000149L/s·m，本井田与区域相似，深部845号孔单位涌水量为0.00015L/s·m，渗透系数为0.0028m/d，水位标高813.35m，浅部受断层及风化影响，渗透系数大于80m/d，水位标高847.25m，富水性决定于裂隙发育程度及补给条件。
总体看，太原组本次钻孔揭露岩芯较完整，水蚀现象不普遍，均进行了简易水文地质观测，由于以上灰岩岩溶裂隙较发育，充填物较少，钻探在揭露它们时部分发生漏水或冲洗液消耗量大、水位下降等现象。
据S203号孔抽水试验资料，降深S=116.24m，单位涌水量q＜0.00374L/s·m，水质类型为HCO3·SO4·CI–Ca·Mg·K·Na型，富水性弱。
3．二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层
为层间裂隙水，以中粒砂岩为主，一中间砂岩般厚度为5.19m，K8为2.64m，厚度变化较大，含水性较弱，据邻近的野川勘探单位涌水量0.0008L/s·m，渗透系数0.00548m/d,水位标高887.36m，水质类型HCO3·SO4（CI）–Ca,Mg型,矿化度467德国度。
4．二叠系下统石盒子组砂岩裂隙含水层
为层间砂岩裂隙水，裂隙发育，据大阳勘探资料，一般以2h均能抽干，单位涌水量0.000153—0.00042L/s.m3，渗透系数0.00152—0.00510m/d，水位标高829.62—880.72m。
水质为HCO3·SO4—Ca·Na或Mg型水。
5.基岩风化壳孔隙含水层
为裂隙潜水，局部承压，根据大阳勘探资料，一般低处及浅部的风化壳要比高处及深部的风化壳富水性强，风化深度30—50m，其涌水量0.00056—0.265L/s.mL/s.m，0.00135—2.68m/d，水质为HCO3·SO4（或Cl）—Ca·Mg型水、硬化度一般小于500mg/L，地下水位变化幅度在0.9—1.3m，富水期为8—10月，贫水期在1—4月。
6.第四系松散岩类孔隙含水层
可直接接受大气降水补给，部分向下补给基岩含水层，部分于沟谷低洼处以潜流的形式补给地表水。
由于井田内厚度薄、面积小，虽直接接受大气降水补给，但冲沟发育，排泄条件好，加上又有石盒子组较厚的泥岩隔水层，所以对下部煤层开采影响很小。
主要分布在沟梁处，全厚约15m，地下水位高，埋藏浅，为当地主要民用水源，据大阳勘探区资料，单位涌水量为0.0035—1.78L/s.m，渗透系数为0.046—16.5m/d，富水期为8—10月，贫水期为1—4月，水质为HCO3·SO4—Ca·Mg型水。
三、地下水补给、迳流、排泄条件
区内各含水岩层除第四系普遍出露外，其它岩层大部分被黄土覆盖，故造成深部地下水补给、迳流、排泄自然条件非常不明显。
奥陶统石灰岩岩溶裂隙地下水于区域东部外围有出露，补给来源除大面积接受大气降水及地表水外，还有上部含水层通过构造带渗入水。
石炭系石灰岩裂隙岩溶和二叠系碎屑岩地下水，其间有厚度不等的泥岩阻隔，相互间水力联系微弱，主要以相互平行的层间径流为主，仅在构造部位或浅埋区才可能发生直接的水力联系。
基岩风化带地下水，区内普遍为第四系粘土及少量砂砾石所覆盖，由于风化壳底部多为泥岩及粉砂岩类，起到一定的隔水作用，构成风化基岩承压水面，接受大气降水及地表水外补给，其承压面高于河床水面，且北岸压力水头高于南岸，并有逐渐向下游降低之趋势，非常有利于地下水循环运动，可畅通无阻地排泄于区外。
第四系松散砂砾层孔隙地下水，含水层主要为砂砾卵石类，主要分布于浊漳河两岸，接受为大气降水补给，该含水层地下水与浊漳河河水关系密切，在不同时期可互为补给，据观测在雨季中，井、泉水均有明显的增加，一般情况下在枯水期，在基岩较低处地下水通过砂砾卵石迳流带大量补给河流水，而在洪水期河流两侧河漫滩又接受河水所补给，尤其在无雨季节中较明显。
四、隔水层
1．中石炭统本溪组隔水层
本溪组铝土泥岩、泥岩、砂泥岩岩性致密，不透水，平均厚度6.0m左右，是良好的隔水层。
2.石炭系太原组和二叠系山西组及下石盒子组层间隔水层组
本隔水层组由泥岩、砂质泥岩、粘土质泥岩及煤层等组成。
分布于各层石灰岩和各层砂岩含水层之间，起到层间相对隔水的作用。
3．第四系松散层隔水层
第四系的粘土层、亚粘土、砂质粘土均为良好的隔水层。
第三节井田内小窑及以往矿井采空区积水分析
整合前各矿内存在一定面积的采空区和小窑采空破坏区，其采空区中有与之相连接生产巷道留有排水出口，位置高于采空区的积水可由排水口自巷道导入水仓后集中排出，但低于排水口凹处的存在积水。
采空区及采空破坏区预测积水量统计表
采空区
煤层
调查关
闭时间
调查关闭前
涌水量（m3/d）
积水区面积（m2）
积水量（m3）
采Ⅰ
3号
/
/
23959
13537
采Ⅱ
/
/
36455
20597
采Ⅲ
/
/
16635
9399
采Ⅳ
/
/
532
302
采Ⅴ
/
/
85477
48479
采Ⅵ
/
/
39249
22176
采Ⅶ
/
/
1165
661
采Ⅷ
/
/
293
166
东牛庄小窑采空破
坏区Ⅰ
/
/
98641
55732
东牛庄小窑采空破
坏区Ⅱ
/
/
2887
1640
原南岭煤矿采空区
2002年
20
215201
51110
原回山小窑采空破
坏区
2003年
20
25841
43800
小计
546335
267599
西牛庄小窑采空破
坏区
9号
2003年
15
19381
32850
张家庄小窑采空破
坏区
2003年
15
19381
32850
东牛庄小窑采空破
坏区
2001年
15
25841
43800
沟头小窑采空破
坏区
2002年
15
22611
38325
毕家庄小窑采空破
坏区
2001年
15
25841
43800
崔家庄小窑采空破
坏区
2001年
15
25841
43800
南岭小窑采空破
坏区
2002年
15
22611
38325
回山小窑采空破
坏区
2003年
15
19381
32850
小计
180888
306600
采Ⅰ
15号
/
/
1621
541
原南岭煤矿采空区
2002年
50
161914
127750
崔家庄小窑采空破
坏区
2001年
40
148035
116800
原回山小窑采空破
坏区
2003年
50
138783
109500
小计
288439
226841
经估算，3、9、15号煤层中推测采空区及小窑采空破坏区积水面积分别为546335、180888、288439m2，积水量分别为267599、306600、226841m3，故在未来的生产建设中仍应坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则加强防范。
因手段有限，随着时间的延长，同时还随周边的采掘系统的变化积水情况会有所改变。
本次根据矿方提供采掘工程平面图的现状进行调查预测，在未来的生产建设中仍应坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则加强防范。
区内西部有关闭及被整合的唐东煤矿、银周煤业、古寨煤业等矿井，均为斜、立井混合开拓，原开3号煤。
井下主要充水来源，一为3号煤层顶板砂岩含水层；二为因采空产生的沟通与上覆含水层间的水力联系。
据各矿井的观测资料表明，井下涌水量动态变化因季节性不同而增减，同时随开采面积不断扩大，而涌水量也相应增加。
其中其西南部的银周煤业、西北部以关闭的唐东煤业，均位于该井田上方，按现有资料看，各矿边界间留有保安煤柱，积水对该井田3号煤层开采没有威胁，但不排除有越界开采现象，积水对该井田3号煤层开采可造成威胁；在科兴平泉煤业开采下部的9、15号时所产生的导水裂隙带达不到其采空区水平高度，故其采空积水在无导水构造存在的情况下对科兴平泉煤业开采下部的9、15号煤层无影响。
井田奥灰水水位标高为535-537m，而15号煤层底板最低标高为710m，远高于奥灰水水位标高，故奥灰水对井田内3、9、15煤层的开采无影响。
公司现开采15#煤层，根据90万吨初步设计，15#煤层共分5个采区，一采区内有崔家庄小窑采空破坏区和回山小窑采空破坏区。
二采区内有原南岭煤矿采空区。
三、四、五采区内无任何小窑破坏区。
对于采区内存在的小窑破坏区，在采掘工程平面图中已认真标明位置及积水情况，在以后的掘进和回采过程中，要严格执行好探放水措施，解决杜绝开采防隔水煤柱。
第四节探放水设计
一、探3＃老空水探眼设计共布置4个钻孔：
4、①号孔位布置在顶板上方，与顶板成60°夹角，设计每50米布置一个探眼，设计依据如下：
⑴根据矿井综合性水文柱状图，15＃煤层距3＃煤层86.22米。
⑵探水采用型号为ZY—2300的探水钻机，根据探水钻机说明书，钻孔倾角偏差范围是-90°—+90°。
⑶根据顶眼布置图可以计算得出钻孔倾度为60°，钻孔长度为100米。
计算说明如下：
由下图：
已知15＃煤层距3＃煤层86.22米；每50米布置一个探孔两个固定条件，可以计算得出三角函数tanα的值，通过查三角函数值表可以得出钻孔倾角α为60°，由以上所得数值再利用三角函数sin计算，可以得出钻孔长度为99.5米。
Arctanα=
=1.72α=60°
sin60°=
=0.866x=99.5米
2、②号孔位在巷道正中央，按巷道掘进方向布置。
3、③、④号孔位在距巷道左右帮1.1m处，按巷道掘进方向各向巷道外侧偏6°布置，为保证探水工作的最大安全性，帮眼终孔距要与中眼终孔距的距离控制在20米—22米范围内，设计依据如下：
根据长探钻孔布置图计算
Sin6°=
=0.1x=20米
20+1=21米符合要求
4、②、③、④号孔倾角按巷道掘进方向煤层倾角。
②号钻孔为探明巷道正前水文情况。
③、④号孔为探明巷道两侧水文情况。
每次长探探水，②、③、④号孔要成扇形布置，探眼深度为200米，探水超前距离不得小于60米，无积水，无异常情况下可掘进140米，如此循环探水。
探水钻孔呈放射状布置，钻孔每组3个，分别为北外斜眼、中眼、南外斜眼，距离底板为1.2米。
5、短探采用边探水边掘进的探水方案进行探水，根据水文地质资料的水压、水量和以往的探水经验，探水设备、探水技术水平综合考虑，确定探水孔深60米，超前距离剩余30米，每探一次允许掘进距离为30米。
编号为⑤、⑥、⑦号：
（1）⑤号孔位在巷道正中央，按巷道掘进方向布置。
（2）⑥、⑦号孔位在距巷道左右帮1.1m处，按巷道掘进方向各向巷道外侧偏19°布置，为保证探水工作的最大安全性，帮眼终孔距要与中眼终孔距的距离控制在20米—22米范围内，设计依据如下：
根据短探钻孔眼布置图计算：
Sin19°=
=0.325x=19.5米
19.5+1=20.5米符合要求
二、探15＃老空水探眼设计共布置3个钻孔：
1、①号孔位在巷道正中央，按巷道掘进方向布置。
2、②、③号孔位在距巷道左右帮1.1m处，按巷道掘进方向各向巷道外侧偏6°布置，为保证探水工作的最大安全性，帮眼终孔距要与中眼终孔距的距离控制在20米—22米范围内，设计依据如下：
根据长探钻孔布置图计算
Sin6°=
=0.1x=20米
20+1=21米符合要求
3、①、②、③号孔倾角按巷道掘进方向煤层倾角。
①号钻孔为探明巷道正前水文情况。
②、③号孔为探明巷道两侧水文情况。
每次长探探水，①、②、③号孔要成扇形布置，探眼深度为200米，探水超前距离不得小于60米，无积水，无异常情况下可掘进140米，如此循环探水。
探水钻孔呈放射状布置，钻孔每组3个，分别为北外斜眼、中眼、南外斜眼，距离底板为1.2米。
4、短探采用边探水边掘进的探水方案进行探水，根据水文地质资料的水压、水量和以往的探水经验，探水设备、探水技术水平综合考虑，确定探水孔深60米，超前距离剩余30米，每探一次允许掘进距离为30米，钻孔每组3个，分别为北外斜眼、中眼、南外斜眼，距离底板1.3米，编号为④、⑤、⑥号：
（1）④号孔位在巷道正中央，按巷道掘进方向布置。
（2）⑤、⑥号孔位在距巷道左右帮1.1m处，按巷道掘进方向各向巷道外侧偏19°布置，为保证探水工作的最大安全性，帮眼终孔距要与中眼终孔距的距离控制在20米—22米范围内，设计依据如下：
根据短探钻孔布置图计算：
Sin19°=
=0.325x=19.5米
19.5+1=20.5米符合要求
第五节安全技术措施
1、严格执行“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”探放水十六字方针。
2、坚持“全面分析，逐头逐面排查、多找疑点，有掘必探”的基本原则，对老空积水必须一丝不苟的对待。
3、对于矿区内的采空区，采用物探结合钻探进行探水。
物探由有关资质部门进行。
公司成立专门的探放水队伍，配备专门的探水钻机进行钻探，钻探采取长探短补的原则，探水距离不少于规定的200米，要有足够帮距、超前距和控制密度钻孔。
4、准确收集老空和相邻矿井未采的积水范围的测绘资料，能正确的对其水源做出判断。
5、相邻矿井分界处，必须留防水煤柱，严禁私自开采防隔水煤柱。
6、必须及时把采空区的积水范围、标高、积水量绘在采掘工程平面图上，以备掘进之需，保证安全。
7、井下过采空、防治水期间，严格执行管理人员跟班（值班）制度。
8、技术组根据探测资料和实际施工穿越采空区的巷道走向，做好工作面工程地质和水文地质的预测预报工作，根据预测预报，及时制定相应的补充措施。
9、配备充足的人力和物力，水泵必须能正常排放水，满足全矿井最大涌水量，确保防水设施正常使用，对排水设施每星期有一至两次的全面检修。
10、探空探水按照长距探水和近距离探水，探测时必须配备专职的瓦检员，技术员，并做好探空、探水的原始记录。
11、掘进工作面有透水预兆时，必须停止作业，采取措施，汇报调度室，如果情况危急，必须撤出受水害威胁的所有人员。
12、老空区内往往存有许多有毒有害气体。
探空、探水接近或打透老空时，这些有害气体可能随时涌出，因此在探空、探水时，必须有专职瓦斯员值班，检查空气成分。
如果瓦斯或其他有害气体超过有关规定时，必须立即停钻，切断电源，撤出人员并报告调度室，采取措施进行处理。
13、在接近积水区打眼时，如发现煤岩松软，潮湿等异常现象时，不能立即拔出钻杆，现场留专人监测水情外，及时向调度汇报，采取措施进行处理，紧急情况及时撤出人员。
14、对有测绘资料作依据的积水区，要标测绘日期，外推30～60m圈定探水线。
15、对确定的积水疑问区，通过逐级审定，然后作为老空积水防治的依据。
16、接近有老空积水疑问区时，利用物探和钻探探明、核实积水区的积水量及范围，确定积水线、探水线和警戒线的位置。
17、对需探放的老空积水分析、查明后，在确定的探水线位置布置钻场和积水区下部布置辅助水仓等排水设施进行探放水前的准备。
18、加强钻场附近的巷道支护，并在工作面迎头打好坚固的立柱和拦板。
19、清理巷道，挖好排水沟。
在放水巷道两侧堆积高度不低于0.5m的沙袋，防止冲倒支架。
20、在打钻地点或附近安设专用电话。
21、测量和防探水人员必须亲临现场，依据设计，确定主要探水孔的位置、方位、角度、深度以及钻孔数目。
22、预计积水区水压较大的地区，探水钻进之前，必须先安好孔口管和控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后，方可进行下一道工序。
23、钻孔内水压过大时，应采用反压和有防喷装置的方法钻进，并有防止孔口管和煤（岩）壁突然鼓出的措施。
24、老空积水区高于探放水点位置时，只准打钻孔探放水；探放水时，必须撤出探放水点以下部位受水害威胁区域内的所有人员。
探放水孔必须打中老空水体，并要监视放水全过程，核对放水量，直到老空水放完为止。
25、钻孔放水前，必须估计积水量，根据矿井排水能力和水仓容量，控制放水流量；放水时，必须设专人监测钻孔出水情况，测定水量、水压，做好记录。
若水量突然变化，必须及时处理，并立即报告矿调度室。
26、探水工作面一切电气设备的防爆性能必须良好。
27、加大探水工作面供风量，加强局扇、风筒的维护管理，防止漏风和发生循环风，并将风筒末端接到探水工作面迎头，对着钻孔及时吹散瓦斯，避免积聚。
山西高平科兴平泉煤业有限公司
关于过周边相邻矿井、采空区的安全技术措施
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