目前,从地质条件和资源整合的观点上看,河南煤矿区分为六大煤矿区。其中,永夏矿区包括永城矿区、神火矿区;平顶山矿区包括平顶山矿区、韩梁矿区、禹州矿区和汝州矿区;义马矿区包括义马矿区、新安矿区、陕渑矿区和部分偃龙矿区;鹤壁矿区包括安阳矿区;郑州矿区包括新密矿区、登封矿区、荣巩矿区和部分偃龙矿区;焦作矿区包括焦作矿区和济源矿区。平顶山矿区和郑州矿区被规划为国家大型煤炭工业基地。因此,从开采水害综合控制技术方面来看,河南省煤矿水害复杂程度从简单到复杂次序为永夏矿区、平顶山矿区、义马矿区、鹤壁矿区、郑州矿区和焦作矿区,淹井从无到有,从少到多,部分矿区水文地质条件愈来愈复杂化。
一、河南省煤矿淹井概况
据不完全统计,在河南煤矿区中,鹤壁矿区淹井10次 (表1),郑州矿区淹井8次(表2),焦作矿区淹井14次(表3),均在5次之上;义马矿区1次,平顶山禹州新峰矿2次,永夏矿区没有发生过O2灰岩突水,无淹井事故。
1996年11月,义马矿区新安矿在掘进12161工作面上巷时,揭露3m落差的小断层,在矿压、水压及断裂构造的综合作用下,导致奥灰滞后突水,最大水量达4260m3/h,造成淹井,停产8个月,经济损失达1.2亿元。2005年10月,平顶山禹州新峰一矿东大巷在巷修时发生了底板寒武系灰岩突水事故,突水量23600m3/h,使矿井在两小时内被淹,但由于当时措施得当,启动了紧急救援预案,做到了人员快速撤离,避免了一场重大人员伤亡事故;2006年7月,由于暴雨,上游的桐树张水库溃泄,水从井口进入造成淹井,由于之前进行了应急撤离训练,无人员伤亡,且主副井口均设有井口防水门。
二、河南省煤矿淹井原因
河南煤矿区淹井次数达30多次,经济损失巨大。基建期间,主要原因是井筒位置选择不当,多在富水地段,排水能力未形成而被淹没,突水水源以浅部薄层灰岩为主;生产期间,淹井主要原因是误揭较大落差断层、破坏防水煤柱、水闸门被破坏以及没有完善的排水系统。突出表现在以下几个方面:
(1)断裂构造和导水陷落柱是淹井的主要通道。义马矿区、平顶山禹州矿区淹井与断层有关。鹤壁矿区奥灰距离矿区主要开采煤层山西组二1煤层150~180m。由于太原组、本溪组地层阻隔,正常情况下开采二1煤层奥灰水不会进入矿井。但是当开采遇到落差大的断层或导水陷落柱时,奥灰水就有可能进入矿井,造成淹井事故。鹤壁、安阳矿区曾经发生过9次奥灰突水淹井,均与断层和导水陷落柱有关。
(2)断层上盘开采二1煤不留或留设防水煤柱尺寸不符合规程要求。焦作矿区冯营煤矿由于断层倾角变化,留设防水煤柱尺寸不够导致奥灰突水淹井。鹤壁矿区马庄矿在F40断层上盘开采二1煤,末留设防水煤柱,造成F40断层下盘奥灰水突入矿井;建设矿在F44断层上盘开采二1煤不留设防水煤柱造成F44断层下盘奥灰水突入矿井;石岩沟矿两次奥灰突水皆因为在F154断层上盘开采二1煤不留煤柱或煤柱尺寸小,最终造成奥灰突水淹井。
(3)小煤矿乱采滥挖引发突水祸及国有大矿。焦作矿区冯营煤矿是由于小煤矿越界开采与大矿沟通导致淹井。鹤壁矿区发生的7次奥灰突水事故中6次为小煤矿乱采滥挖引发奥灰突水。由于这些小煤矿在国有大矿井田内或相邻,小煤矿越界开采与大矿沟通,发生突水事故祸及大矿,造成灾害扩大。
(4)开采一11煤对小断层控制不严、不留设煤柱。郑州矿区王庄煤矿采一1煤突水导致奥灰突水淹井,郑州荥巩矿区的大峪沟煤矿、新中煤矿、王河煤矿均因采一1煤导致奥灰突水淹井。目前对郑州矿区金龙煤矿采取了“有掘必探”的原则。鹤壁矿区九矿1232工作面采煤一11煤遇F913断层(落差10m)未留设煤柱造成突水;刘家沟矿沿F934断层采煤一11煤未留设煤柱造成奥灰突水。
(5)二1煤底板至O2灰岩顶面的距离越大,隔水性能越好。永夏矿区奥陶系灰岩位于二2煤层底板以下200m,一般情况下不会发生直接突水。在断层、裂隙的切割部位具有侧向和垂向补给条件,通过直接充水含水层而间接对矿井充水,到目前为止,没有发生O2灰岩突水。
总之,对含水层、隔水层的条件认识不清,排水能力偏小,没有建筑防水闸门;在排水能力不足的情况下,冒险接通含水层断层带;水泵的管理水平低,老突水点注浆质量不高;对矿压集中破坏底板完整性认识不足;突水水源O2多;水闸门破坏;大部分为断层带强烈突水,井下超前探测技术跟不上;甚至洪水倒灌、管理低下是淹井的主要原因。
三、矿井综合防治淹井对策
根据河南省煤矿水文地质特征及矿井突水特点,煤矿水害防治工作要按照“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”16字基本原则,并根据矿井水害的实际情况制定相应的“防、堵、疏、排、截”5项综合防治措施。
1.坚持有疑必探、防止巷道误揭断层突水
在这方面,平顶山矿区、鹤壁矿区、义马矿区做得比较好。焦作矿区为防止采掘巷道误揭落差大于5m的断层,制定了有疑必探、超前探水的具体有疑标准,杜绝了因误揭断层而引发的突水事故。另外,根据断层落差和水压大小,留设足够的防水煤柱;而巷道必须穿过断层时,要采取加固措施,如预注浆加固断层带,切断导水通道或巷道砌喧、下底拱、加强支护等形式降低矿压对围岩的破坏,有效防止断层滞后突水。
2.选择合理的治水方案
义马矿区在小浪底水库下采煤,与中国矿业大学合作,走出了河南煤矿区水体下采煤的成功先例。用疏水降压开采,焦作矿区、郑州矿区取得了显著的经济效益。采用煤层底板注浆改造开采,焦作矿区、永夏矿区、郑州矿区、平顶山矿区做得比较好。焦作矿区根据L8灰岩的可疏性,确定合理的防治水方法。对L8灰岩疏水系数大于5m/(m3·min-1)(单位涌水量水位降深大于5m)的地区,采用疏水降压开采,通过疏水降压能查明L8灰岩是否接受L2、O2灰岩水补给。对L8灰岩疏水系数小于5m/(m3·min-1)(单位涌水量水位降深小于5m)的地区,采用煤层底板注浆改造开采,通过煤层底板注浆改造,切断L2、O2灰岩水补给通道,避免L2、O2灰岩突水。
3.加强水文地质预测预报及水害评价
郑州矿区从2005年实施了水害、瓦斯、顶板3项目评价,有集团公司副总工程师组织,参加部门有生产、机电、安监、调度、地测和防治水等部门,然后将评价结果进人矿区网络,不合格不能生产,评价实行风险抵押,奖罚分明,效果良好。焦作矿区从1986年以来,连续坚持月、季、年的水情水害预测、预报工作,对矿井生产地区进行逐头、逐面分析,预测准确率达70%左右。及时、准确的水文地质预报工作,一方面为生产部署提供了可行的地质依据,避免了盲目采掘,另一方面可减少突水和降低突水强度,保证安全生产。
4.建立可靠的防水设施
郑州矿区富堡煤矿、超化煤矿、芦沟煤矿各建1座水闸门,根据《煤矿防治水规定》,裴沟煤矿、赵家寨煤矿、芦沟煤矿均设计在建。焦作矿区建立防水闸门(墙)主要是防止L2灰、奥灰突水淹井。由于L2灰、奥灰突水具有水量大、来势猛的特点,且其涌水量难准确预计,若按突水量布置排水设施技术难度大,经济上也不合理。所以按水文地质条件复杂程度,采取分翼、分水平或分区设置防水闸门(墙)进行隔离防水,可避免因一处突大水而造成矿井被淹没的后果。焦作矿区历年来共建防水闸门83座,防水墙48座。全集团公司9对生产矿井都建有防水闸门(墙)。朱村矿、焦西矿达到分区隔离;演马庄矿实现分翼、分水平隔离;中马村矿、小马村矿、九里山矿、冯营矿完成分翼隔离,各生产矿井水文地质条件复杂的地区基本实现了单独隔离。
5.积极推广使用新技术
焦作矿区、郑州矿区、永夏矿区等引进了地质雷达探测仪、瞬变电磁探测仪、直流电法探测仪、音频探测仪、高密度电法仪、坑道仪等先进物探设备对生产区进行探测。查明生产区底板喀斯特含水层富水情况,确定生产过程中发生突水的几率,提出相应的防治措施;探测区内构造发育情况,预先采取措施,防止误揭断层突水;了解工作面煤层中断层延伸情况及夹矸分布范围,为安全采煤提供依据。
6.建立坚强的排水阵地
郑州矿区根据水煤不分离的特点,购置一定量的渣浆泵,加强维护,提高了抗灾能力。永夏矿区、平顶山矿区等根据自己矿井涌水量增加的条件,投资改扩建泵房、管路,大大增加了抗灾能力。焦作矿区9对生产矿井有一级排水泵房22个,182台主排水泵,总排水能力1589.3m3/min,水仓总容积约1.2×104m3。区内各矿井一般延续由高向低进行水平划分和开采,设置泵房时形成二级甚至三级排水,往往一处突大水后,使矿井内不同标高上的泵房先后击破,最终导致淹井,分区泵房与井底泵房的建立要起到联合排水作用。“八五”期间已完成演马庄矿二水平、冯营矿二水平和九里山矿二水平的潜水泵工程,投入使用后大大提高了矿井抗灾能力。
四、结论
(1)依照《煤矿防治水规定》,认真贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”16字基本原则,“防、堵、疏、排、截5项综合防治措施,搞好河南省煤矿水害防治工作。
(2)树立水灾事故可防、可控、可治的观念,建立主动预防型安全管理体系,通过强化管理有效遏制恶性突水事故的发生,防止淹井,使河南煤矿区安全发展。