山西煤矿防治水中长期规划.docx
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山西煤矿防治水中长期规划
煤矿有限公司
煤矿防治水中长期规划
（2013~2017年）
煤矿有限公司
二〇一三年元月
目录
前言-1-
第一章井田概况及开发现状-2-
第一节井田地理概况-2-
第二节井田开发现状-4-
第二章矿井水文地质的基本情况-5-
第一节矿井水文地质概况-5-
第二节井下排水设施-9-
第三章矿井充水因素分析-14-
第四章矿井主要水害及治理方案-18-
第一节矿井发生突水的原因分析-18-
第二节矿井水防治的整体规划-21-
第三节井下水害治理方案-26-
第五章实施计划及预期效果-32-
第一节项目实施计划-32-
第二节项目实施后的预期效果-34-
前言
矿井水灾是煤矿常见的一种自然灾害。
随着煤矿企业兼并重组整合工作进一步深入，矿井水害成为继瓦斯事故后影响煤矿安全生产的另一主要灾害。
为了贯彻落实好《煤矿安全规程》、《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》、国家煤监局出台的《煤矿防治水规定》和省政府出台的“十二条”规定，杜绝水害事故的发生，保障煤矿井下从业人员生命及财产的安全，特结合我矿的水文地质情况，坚持“预防为主，防治结合”的方针，按照当前与长远、局部与整体、地面与井下、防治与利用相结合的原则，根据不同的水文地质条件，制定“探、防、堵、截、排”等相应的措施。
因此编制地质防治水中长期规划是非常必要的。
同时要在整体规划的基础上，根据轻重缓急，抓好防治水工作，要严格检查，堵塞漏洞，防患于未然，确保整个防治水工作按计划有条不紊地进行，使防治水规划落到实处，水害得到有效防治。
第一章井田概况及开发现状
第一节井田地理概况
一、地理位置
*****煤矿有限公司井田（以下简称井田）位于***县城北东方向37km处，****镇****，行政区划隶属****镇管辖。
重组整合后：
井田东西宽1.50km，南北长1.70km。
重组后的井田地理坐标：
东经：
112°08′45″-112°09′48″
北纬：
38°34′23″-38°35′18″
二、地形地貌
井田地处宁武煤田东南部，井田内大部分被黄土覆盖，地形起伏较大，总体地形为北高南低，井田内沟谷纵横交错，地形切割严重，植被较差，属中低山丘陵地区。
最高点位于井田北部山顶上，海拨为1651m；最低点位于井田西南部大尖沟内，海拔为1470m，最大相对高差为181m。
三、交通条件
*****煤矿有限公司位于****县城东北37km处***北，行政区划隶属****镇管辖，距***88km，距太原160km，距***火车站64km。
**（州）—**干线公路从井田南部3km处通过，西接太—宁公路，公路交通较为方便。
目前***铁路正在建设之中，**铁路的***煤炭集运站已基本建成。
四、河流水系
地表水系属黄河流域汾河水系。
井田内主要沟谷为大尖沟，无常年流水，只有雨季时才有季节性流水，向西南经**附近汇入井田南部边缘的鸣河，鸣河为汾河一级支流，其河床较宽约1km，在宁武县石家庄镇川胡屯村附近汇入汾河。
五、气候
本区属大陆性气候，其干燥多变化，四季分明，昼夜温差大，冬季严寒，夏季炎热干燥，年最高气温为35℃，最低气温为-29℃，年平均气温为6-7℃，7月份平均气温为25-27℃，1月份平均气温-22--24℃，全年无霜期为100-130天，年平均降水量为472.5mm，主要集中在7、8月份，年平均蒸发量877mm，冻结期为11月中旬至次年3月中旬，冻结深度一般在1m左右，最大冻土深度为1.1m，冬季多风，风向多为西北风，最大风速可达20m/s，最大积雪深度为0.6m。
本区主要灾害为干旱、洪涝、大风、冰雹和霜冻。
六、地震
依据中国地震动峰值加速度区划图，本区地震动峰值加速度为0.15g。
根据《中华人民共和国建筑抗震设计规范》（GB5001－2001），本区地震烈度为Ⅶ度。
第二节井田开发现状
***煤矿在兼并重组整合中属单独保留矿井，其前身为**县***煤矿。
由于受地质条件影响，本矿井范围内无其它生产矿井。
根据山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室文件晋煤重组办发（2009）57号文件《关于忻州市***县煤矿企业兼并重组整合方案的批复》，整合主体：
***（集团）有限责任公司，兼并重组原***第二煤矿及周边部分空白区，兼并重组后矿井设计能力0.9Mt/a，山西省工商行政管理局企业名称预先核准通知书（晋）名称变核内（2009）第001188号核定矿井名称为“****煤矿有限公司”。
山西省国土资源厅颁发C140000************0590号采矿许可证，批准开采2-5#煤层，井田范围由以下6个拐点坐标组成：
井田境界拐点坐标表
拐点编号
1954北京坐标系
1980西安坐标系
纬距（X）
经距（Y）
纬距（X）
经距（Y）
1
4271808
19600233
4271759.96
19600162.65
2
4272270
19601370
4272221.97
19601299.65
3
4273500
19601370
4273451.97
19601299.64
4
4273500
19600380
4273451.97
19600309.64
5
4272456
19599844
4272407.96
19599773.64
6
4271950
19599985
4271901.96
19599914.65
兼并重组后井田长约1.5km，宽约1.4km，重组后新增面积0.7563km2，井田面积扩大为1.9663km2。
矿井准采标高2#~5#煤层：
1680~1180m标高。
井田大部分被黄土覆盖，仅在靠近大尖沟两侧煤层露头处有部分小窑，在整合前主要开采2号、5号煤层，生产规模均不大，由于技术的局限，开采范围较小，主要沿煤层露头线分布，2号煤层采（古）空区分布在矿区西南，高程为煤层露头及风氧化带到1360m标高煤层底板等高线；5号煤层采（古）空区分布在矿区南部大尖沟两侧，高程为煤层露头及风氧化带到1400m标高煤层底板等高线。
本矿采煤方式为房柱式，爆破落煤，人工装煤，全部垮落法管理顶板。
历年来无越界开采现象。
第二章矿井水文地质的基本情况
第一节矿井水文地质概况
一、矿井水文地质类型
（一）区域水文地质
区内有两条常年性流水河流：
汾河和鸣水河，汾河发源于宁武县管涔山，流经矿区西部，流量0.544－1.167m3/s,区内另一条河流－鸣水河流径矿区的南部，为汾河一级支流，其河床较宽约1km，在石家庄镇附近汇入汾河。
本井田属汾河水系，位于**泉域水文地质单元东部。
泉水属SO4·HCO3-Ca型水，泉水出露高程1500m。
现在由于地下水水位下降，该泉早已断流数年。
区内主要含水层有：
（1）奥陶系中统石灰岩含水层
根据钻探资料可知，峰峰组在本井田内缺失，仅奥陶系中统上马家沟组灰岩分布于本井田北部馒头山一带，赋存岩溶裂隙水。
以前有泉水出露，流量较大，馒头山泉流量为300L/s，**泉流量为230L/s，后由于随着地下水位的下降，两泉水已经全部断流数年，并且地下水位还在持续下降，地下水均衡已经破坏，水力坡度已无法详细计算。
（2）碎屑岩类裂隙、孔隙含水区
岩性主要为二叠系、石炭系含煤地层，表层裂隙较为发育，赋存一定量的地下水。
区内部分有泉水出露，流量一般在0.01-0.10L/s，水化学类型一般为HCO3—CaMg，水质良好，水量较小。
主要接受大气降水的补给，对煤层的开采有一定的影响，为矿坑开采充水主要水源。
（3）松散岩类孔隙含水区
岩性主要为第四系上更新统、亚砂土。
孔隙较为发育，赋存少量的地下水，但有的区域几乎没有地下水，且受季节性影响变化较大。
主要接受大气降水的补给。
（二）井田水文地质条件
1、地表水
井田内主要沟谷为大尖沟，无常年流水，只有雨季时才有季节性流水，向西南经**附近汇入井田南部边缘的鸣河，鸣河为汾河一级支流，其河床较宽约1km，在石家庄镇附近汇入汾河。
2、含水层
据《***煤矿地质报告》资料，将井田含水层自下而上叙述如下：
（1）奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙含水岩组（O2s）
该含水岩组为奥陶系上马家沟组，岩性主要为灰岩，岩溶裂隙较为发育。
据井田内ZK4孔水文孔抽水试验表明，上马家沟奥灰水位静止标高在1474.05m，其单位涌水量为0.0583L/s·m，渗透系数1.21m/d，岩溶水pH值7.21，水质类型为SO4·HCO3-Ca型水。
该含水岩组在**北部山坡露头处接受大气降水的补给，沿倾向向深部迳流，在汾河河床一带排泄。
推测本井田奥灰岩溶水水位标高1471-1474m。
（2）石炭系太原组裂隙含水岩组（C3t）
主要含水层为砂岩，层位稳定。
地表由于受风化的影响，裂隙较为发育，中下部不发育，在井田内无泉水出露。
据井田内水文孔抽水试验表明，其单位涌水量0.004584-0.008462L/s·m，渗透系数0.06598-0.09532m/d，岩溶水pH值7.41，水质类型为HCO3-CaMg型。
该层主要接受大气降水和上部含水岩组的补给，向深部径流排泄。
（3）二叠系山西组裂隙含水岩组（P1s）
本组地层为一套陆相的含煤沉积岩系，主要岩性为褐色泥岩、黑色炭质泥岩、灰色粉砂质泥岩、煤层以及灰白色的粉砂岩、细砂岩和中、粗砂岩。
主要含水层位为中、粗砂岩，富水性较差，节理裂隙较为发育，区内无泉水出露，渗透系数一般为0.01-0.03m/d，水质类型一般为HCO3-CaMg型。
该层主要接受大气降水和上部含水岩组的补给，向深部径流排泄。
（4）二叠系下石盒子组裂隙含水岩组（P1x）
岩性主要为黄绿色、灰白色中粗粒砂岩和泥岩等。
节理裂隙较为发育，井田内无泉水出露，流量一般为0.005-0.078L/s，渗透系数一般为0.01-0.08m/d，水质类型一般为HCO3-CaMg型。
地下水接受大气降水的补给，向深部径流排泄。
（5）第四系上更新统孔隙含水层
地层连续性差，大气降水补给有限，富水性极弱，有的区域不赋存地下水。
3、隔水层
（1）石炭系本溪组隔水层
岩性主要为泥岩、炭质泥岩、石英砾岩、灰岩或煤层，底部为铝土岩，铁铝岩，厚度22.60-24.70m，平均厚度23.65m，层位稳定。
总体来讲为主要可采煤层与下伏奥陶系岩溶裂隙含水岩组的良好的隔水层，使奥灰水不能直接与上覆含水岩组连通。
（2）石炭系太原组和二叠系山西组层间隔水层
下石盒子组岩性以杂色泥岩、砂质泥岩为主，且厚度大，层位稳定，为煤系地层与上覆含水岩组的主要隔水层。
（3）煤系地层砂岩间粉砂岩、泥岩组成的层间隔水层组。
（三）矿井涌水量预计
矿井在整合前，没有历年涌水量统计资料，据《***煤矿地质报告》和近两年矿井实际涌水量观察，矿井涌水多来自顶板淋水、部分老空渗水及底板渗水，由于煤层埋藏浅，雨季受地表水影响稍大。
根据《**煤矿有限公司兼并重组整合项目初步设计》（以下简称《初步设计》）和近两年矿井涌水量观察，预计在2013~2017年，全矿井生产用水加井下涌水正常为118.2m3/h，最大为208.2m3/h。
第二节井下排水设施
一、主排水系统
根据《初步设计》，在2013年~2017年，前两年主要为改扩建阶段，后三年矿井正常生产，本矿井在正式生产前，在副斜井井底和201采区将施工井下主排水泵房和采区泵房，由其分别担负矿井全部排水和采区排水任务。
二、主排水设备
依据《初步设计》资料，矿井正常涌水量大约为90m3/h，最大涌水量180m3/h。
井下洒水灭尘525.8m3/d，灌浆用水量225m3/d，井下洒水灭尘及灌浆水量日增加水量675.721m3/d，折合为28.2m3/h。
㈠设计依据
1.矿井正常涌水量为90m3/h，最大涌水量180m3/h。
2.排水高度Hp=112m（井底水泵房的标高1393m，矿井水处理站标高为1505m）
3.排水管路斜长L=320m，倾角a=25°
4.矿井水容重γ=1020kg/m3
5.矿井水PH值中性
㈡水泵的选择计算
1.水泵的流量：
正常涌水时水泵的必须排水能力
Qb=1.2Qmin=1.2×（90+28.2）=141.8m3/h
最大涌水时水泵的排水能力
Qbmax=1.2Qmax=1.2×（180+28.2）=249.8m3/h
2.水泵扬程计算
Hb=k（Hp+Hs）=1.25×（112+5.0）=146.3m
式中：
K—管路损失系数K=1.25
Hp—排水垂深m
Hs—吸水高度m
水泵的吸水高度Hs：
式中：
Hst—水泵样本中的最大允许吸上真空高度，m
Hw—水泵安装地点的大气压力头，m
VS—吸水管实际流速
Ho—饱和蒸汽压力水头，
Hsf′—吸水管路及局部水头损失之和，m
式是：
Lx-吸水管直管长度，m
初步选用MD280-43×4型矿用水泵，其额定排水量280m3/h，扬程172m。
㈢管路的选择计算
式中 Vp—排水管经济流速取2m/s
Vx—吸水管经济流速取1.5m/s
Q—管道流量，m3/h
根据以上计算排水管选用￠245×6.5无缝钢管，吸水管选用￠273×6.5无缝钢管。
排水管道布置2趟，1趟工作，1趟备用。
㈣确定水泵级数与工况
1．求水泵的级数：
Xa=H/He=146.3/47.3=3.1
He-水泵流量为QB时的平均单级扬程（m）
选用4级水泵
2.管路阻力损失的计算
排水管流动阻力损失为:
吸水管流动阻力损失为:
输水管路流动总阻力损失的计算：
式中：
λ——沿程阻力损失系数；
Lp——排水管总长度，Lp=420m；
Lx——吸水管总长度，Lx=6m；
∑εp——排水管路附件局部阻力损失系数之和，∑εp=15.7
∑εx——吸水管路附件局部阻力损失系数之和，∑εx=8；
3.水泵工作点的确定
新管：
H=H+RQ2=122+0.00043Q2
旧管：
H=H+RQ2=122+0.00073Q2
将新旧管路特性曲线方程置于所选用水泵的性能曲线上可得水泵工况点M1M2:
（见下图）
新管M1：
Qm1=288.2m3/h,Hm1=157.7m,ηm1=76.5%
旧管M2：
Qm2=250.0m3/h,Hm1=168.9m,ηm1=75.8%
4.校验计算
1）排水时间校验
新管：
正常涌水时水泵每天工作小时数（1台水泵工作）：
T=24Qb/Q=9.8<20（小时）
最大涌水时水泵每天工作小时数（2台水泵同时工作）:
T=24Qbmax/2Q=8.7<20（小时
旧管：
正常涌水时水泵每天工作小时数（1台水泵工作）：
T=24Qb/Q=11.3<20（小时）
最大涌水时水泵每天工作小时数（2台水泵同时工作）:
T=24Qbmax/2Q=10.0<20（小时）
所选水泵能够满足规程要求在20小时内排完矿井24小时涌水。
㈤管路敷设
排水管路沿副斜井井筒敷设，管路设在管子道内，排水管路应设有金属弯管支座，用以承担管重及水柱重量，金属变管支座必须固定于专设的钢梁上。
为避免管路纵向弯曲，需设有导向管夹子。
每隔150m装置伸缩接头，以及承载该管子重量的支承直管同样需用专设的钢梁来固定，最上面的伸缩接头及支承直管，应设于进口50m处。
管路连接采用法兰联接。
每条排水管路都要设放水闸门，以便在检修时能将排水管中的水放入水仓。
底阀应设置在吸水最低水面500mm以下，其底面应高出吸水井井底800mm。
㈥电动机选型计算
新管:
水泵轴功率:
电动机功率 Nd=k·N/ηc=1.1×164.9/0.98=185.1kW
旧管:
水泵轴功率:
电动机功率 Nd=k·N/ηc=1.1×154.67/0.98=173.6kW
查MD280-43×4型水泵配套电机型号YB355L2-4，电动机功率为200kW，转速1480r/min，电压为380kv，故配套电动机功率合适。
二、201采区排水设备
依据地质资料及《初步设计》，使用与付井水泵各项参数的计算方法，201采区泵房水泵选用MD280-43×5型水泵三台，一用一备一检修，配套电机型号YB355M-4，功率250kW，转速1480r/min，电压为380V。
配用排水管￠245×6.5无缝钢管，布置2趟，1趟工作，1趟备用。
第三章矿井充水因素分析
一、矿井充水因素分析及水害防治措施
（一）、矿井充水因素
1、大气降水
本区沟谷纵横，地表为新生界蓄水层。
降水渗入是矿坑充水的主要补给来源，充水程度与降水量有关，且呈季节性变化，在雨量大而集中时，应注意洪水从井口灌入井下。
2、地下水
主要来源于煤层以上各含水层的砂岩裂隙水。
3、古（采）空区积水
井田内2号、5号煤层前期采区已形成古（采）空区。
（1）2号、5号煤层前期采空区积水统计
古（采）空区积水区情况统计表
积水情况
合计
积水区域
积水面积（m2）
积水巷道长度（m）
积水量（m3）
采空区
87000
52200
57614
积水巷道
1880
5414
采空区
7570
12111
12667
积水巷道
108
556
87757
1988
70281
70281
2号层西南部、5号煤层露头处均有古（采）空区，古（采）空区积水主要集中在开采煤层的最下部，因为煤层倾角较大，为单斜构造，上部古（采）空区积水基本上顺着煤层的层理及煤层与顶、底板的层理、裂隙向下部开采区域渗透，回采工作面涌水经水泵、管路经大巷流入水仓，由水仓排到地面，该矿现在仍保持正常通风、排水工作，积水位置及范围见各煤层矿井充水性图。
当开采其下方煤层必须疏排采空区积水，并留足保安煤柱。
（2）冒落带
开采下部煤层形成冒落带及导水裂隙带高度超过煤层间距时，上部煤层采空区积水有可能通过冒落带及导水裂隙带进入井巷。
采用冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式计算煤层开采形成的冒落带高度及导水裂隙带高度。
采用如下公式计算煤层开采后形成的冒落带及导水裂隙带：
H冒=100M/（2.1∑M+16）+2.5
H导=100M/（1.2∑M+2.0）+8.9
式中：
H冒、H导－导水裂隙带的高度，m
M－煤层累计采厚
利用上式可得：
开采2号煤层后形成的冒落带及导水裂隙带，2号煤层采厚5.4m：
H冒=100×5.4÷（2.1×5.4+16）+2.5=22.25（m）
H导=100×5.4÷（1.2×5.4+2.0）+8.9=72.6（m）
开采5号煤层后形成的冒落带及导水裂隙带，5号煤层采厚15.16m：
H冒=100×15.16÷（2.1×15.16+16）+2.5=34.2（m）
H导=100×15.16÷（1.2×15.16+2.0）+8.9=84.0（m）
由以上计算分析可知：
2号煤层采空以后其冒落带最大高度为22.25m,导水裂隙带的高度为72.6m；5号煤层采空以后其冒落带最大高度为34.2m,导水裂隙带的高度为84.0m，其导水裂隙带的高度大于2、5号煤层平均间距。
开采下部煤层形成的裂隙与上部煤层采空区能构成水力联系，会引起矿井涌水量急剧增加，因此煤层开采时一定要注意上覆煤层采空区积水对开采的影响，要超前探放水并留设足够的保安煤柱，以防采空区积水对生产造成影响。
4、奥灰水
间接充水含水层影响大的主要为奥陶系灰岩溶水含水层，根据本次抽水试验资料其水位标高为1474.05m，奥灰水位标高高于2号和5号煤层最低底板标高,本井田内2号煤层的最低底板标高为1240m，5号煤层的最低底板标高为1200m。
煤层下部处于承压开采状态,现利用奥灰岩溶裂隙水突水系数来计算奥灰岩溶水对开采石炭系2、5号煤层的影响程度。
采用公式TS=P/M
其中：
TS—突水系数（MPa/m）
P—底板隔水层承受的静水压力（MPa）
M—底板隔水层有效厚度（m）
2号煤层隔水层厚度约109.7-147.11m，平均128.4m，煤层全部处于承压开采状态，其本溪组与奥灰界面承受的静水压力：
P=1474.05-1240+109.7=343.75（m）水柱静水压力
利用公式Ts=（343.75×9.8×10-3）/109.7=0.0307（MPa/m）
5号煤层隔水层厚度约58.17m，煤层全部处于承压开采状态，其本溪组与奥灰界面承受的静水压力：
P=1474.05-1200+58.17=332.22（m）水柱静水压力
利用公式Ts=（332.22×9.8×10-3）/58.17=0.0560（MPa/m）
据全国实际资料看，底板受构造破坏地段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常地段突水系数不大于0.1MPa/m。
2号煤层承受奥灰岩溶水最大突水系数0.0307（MPa/m）和5号煤层最大突水系数0.0560（MPa/m）均小于正常地段临界突水系数0.1MPa/m，奥灰岩溶水对井田2、5号煤层有一定影响，尤其是5号煤层。
随着煤层的开采深度越来越大，一定要注意奥灰水对开采煤层的影响，要采取相应的预防和防水措施，预防底板突水事故的发生。
另外，据《**煤矿地质报告》叙述，钻孔在煤系地层20m以上为水泥封孔，其余均为黄泥封孔。
以防施工单位瞒报个别钻孔因孔内事故，孔内遗留有钻具、套管等物品或因钻孔坍塌而无法封孔或封孔质量差，因此井田内钻孔也是矿井充水因素之一。
综上所述，井田水文地质条件属中等类型。
第四章矿井主要水害及治理方案
第一节矿井发生突水的原因分析
一、水害类型及防治措施
（一）水害类型
当前，**煤矿主要存在的问题包括以下4个方面：
（1）老空水
由于该煤矿建井较早，井田范围内有大量采空区存在。
据**煤矿地质报告，井田内2#和5#煤层由于其他小窑及本矿井的前期采掘，形成了大量的采空区。
近年来，**煤矿的矿权和边界等条件发生了多次变更，煤矿的掘进方式、生产规模等开采条件将发生极大的变化。
因此，煤层开采方式、导水裂隙带发育高度等导水通道的波及范围将变广，有可能沟通老空积水以及不同含水层，对矿井的安全生产构成较大的隐患。
（2）奥灰水
井田范围内的主要充水含水层包括：
奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙含水岩组、石炭系太原组裂隙含水岩组、二叠系山西组裂隙含水岩组、二叠系下石盒子组裂隙含水岩组、第四系上更新统孔隙含水层。
其中，砂岩裂隙水是矿井的直接充水水源；奥灰水具有一定承压，是矿井的间接充水水源。
在这种条件下，随着矿井生产规模的扩大，底板承受的奥灰水威胁也逐步增大，水对矿井安全生产有较大影响。
（3）顶板水
根据区域地质资料，**井田东西以两条大断层为边界，使该井田位于地质构造的地堑部位。
由于断层落差的影响，井田周边的底板含水层被抬高，对矿井的安全产生不利影响。
以50404工作面为例，曾在其运输顺槽打顶板钻孔进行探放水。
出水点水量较大，且持续一年仍不减，初步分析认为其可能与上部含水层有水力联系。
由此认为，在开采条件发生较大变化的情况下，导水裂缝带的发育是矿井充水的重要通道之一。
顶板含水层的富水性、砂岩与第四系含水层之间的水力联系影响着其对矿井充水强度。
（4）断层水
矿井东西以断层为界，断层的落差
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