晋城矿区凤凰山矿周边闭坑矿井水害分析及治理_杨高峰.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY gob water; geostatistical ; mining space ; direct discharge system 随着我国能源供给侧结构性改革、国家关井压 产和淘汰落后产能政策实施，大量无效益矿山将被 迫关闭。矿井闭坑后采空区积水不仅对周边生产矿 井构成水害威胁，同时对周围地质环境产生一系列 的影响， 包括周围地下水水质[1-2]、 地下水径流场[3]、 地面塌陷等[3-5]。因此，无论从安全还是环保角度出 发，都必须对闭坑后采空区积水进行科学治理。 煤矿地质工作者对闭坑矿井水害分析与治理进 行了广泛而深入的研究。崔洪庆等[6]以美国匹兹堡 煤田为例，介绍了废弃矿井地下水回充、相邻矿井 水连通和自流排泄出地表等水害问题。强调应基于 GIS 和 GPS 等技术对这类矿区进行水文地质填图， 设立长期水位水质观测站，有针对性地设置矿井水 处理厂，并对我国废弃矿井充水问题提出了建议。 张壮路[7]通过分析矿井水文地质条件和矿井废弃后 地下水动力模式，对矿井水位回弹的时空过程和最 终动态平衡模式进行了计算。罗立平[8]以淮南矿区 为例，系统研究了老空水的形成机制，认为老空水 ChaoXing 增刊 1 杨高峰等 晋城矿区凤凰山矿周边闭坑矿井水害分析及治理 15 的形成是一个复杂的流体、应力、围岩三者藕合作 用下的动态过程，并通过数值模拟得出防水煤柱宽 度应至少留设 8 m。 周建军等[9]基于 FELOW 软件建 立了废弃矿井淹没的多种介质水流数学模型，对近 水平煤层开采后废弃矿井充水淹没水位回弹过程进 行了数值模拟，得到了不同充水介质在充水淹没过 程中的水流和水位回弹特征。翟晓荣等 [10]基于 MODFLOW 软件对闭坑矿井采空区积水水位回升 的数值模拟研究表明，随着闭坑时间延长，地下水 位逐步回升，回升速度前期较快，后期减慢，揭示 了区域地下水径流场对矿井水位回升具有明显的影 响，得出了水位随时间的动态变化过程。 基于前人对闭坑矿井水水害的认识， 笔者以沁水盆 地晋城矿区凤凰山矿及其周边闭坑矿井为研究对象，结 合各矿井地质资料，分析了周边闭坑矿井采空区积水对 凤凰山矿的水患威胁，提出并实施了周边闭坑矿井采空 区积水治理方案，以确保凤凰山矿安全生产，研究成果 对晋城矿区闭坑矿井水害治理具有一定指导意义。 1 研究区概况 凤凰山矿属于沁水盆地晋城矿区，东临王台铺 煤矿和高都煤业，西以白马寺逆断层为界，南部为 古书院矿，北部为恒源煤业。各矿主采煤层均为石 炭–二叠系 3 号煤、9 号煤及 15 号煤。实测得知， 各主采煤层采空区可沿导水裂缝带互为沟通。高都 煤业、王台铺矿和古书院矿作为晋煤集团首批关闭 矿井，于 2017 年先后关闭。闭坑后，采空区积水水 位持续上升，势必对临近的生产矿井凤凰山矿构成 严重水患威胁。据调查，高都煤业闭坑 28 d 后，在 王台铺矿15号煤33052巷发现来源于高都煤业闭坑 水，其流量为 4080 m3/h，致使王台铺矿整个矿井 涌水量增多；而当王台铺矿闭坑后，其采空区积水 回填时间缩短、水位回升速度加快。同时，凤凰山 矿南部紧邻古书院矿，两矿间防隔水煤柱曾遭受破 坏，古书院矿闭坑后，凤凰山矿 15 号煤一盘区采空 区与古书院矿紧邻区域监测点涌水量出现 40290 m3/h 增幅。由此可见，周边闭坑矿井涌水对凤凰山 矿安全生产构成极大水患威胁，亟需开展凤凰山矿 周边闭坑矿井水害分析及治理。 2 闭坑矿井对凤凰山矿水害分析 2.1 闭坑矿井采空区积水汇聚位置 矿井闭坑后，采空区积水将沿采掘空间、钻孔 及裂隙由地势较高位置向地势较低位置径流。 因此， 掌握煤层底板起伏形态，绘制水流趋势图是确定闭 坑矿井采空区积水汇聚位置的关键。基于研究区已 有钻孔资料，借助 surfer12 中的克里金插值统计分 析法，分别绘制了各矿 15 号煤水流趋势图图 1 图 4、 区域煤层底板等高线图图 5和区域水流趋势 图图 6。图中箭头表示水流趋势，不同色标表示不 同高程，即冷色调蓝色到暖色调红色表示高程不 断增大。 图 1 高都煤业 15 号煤水流趋势图单位m Fig.1 Trend of flow of seam 15 in Gaodu Coal Industry Co. Ltd. 图 2 王台铺矿 15 号煤水流趋势图单位m Fig.2 Trend of flow of seam15 in Wangfutai mine 图 3 古书院矿 15 号煤水流趋势图单位m Fig.3 Trend of flow of seam 15 in Gushuyan mine 综合分析各井田及区域水流趋势可知，研究区 整体为一倾向 NW 的单斜构造， 地势 SE 高 NW 低， 凤凰山矿南部的二盘区整体地势最低，为区域汇水 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 47 卷 点，周边闭坑矿井涌水如不治理，最终将向该处汇 聚，其受水害威胁程度最大。凤凰山矿井田外汇水 区集中在王台铺矿西部的五盘区、古书院矿西北部 的三盘区及东南部 610 主水仓附近，若想阻止周边 闭坑矿井涌水进入凤凰山矿，防患于未然，需在这 3 个位置采取措施，抽排治理。 图 4 凤凰山矿 15 号煤水流趋势图单位m Fig.4 Trend of flow of seam 15 in Fneghuangshan mine 图 5 区域煤层底板等高线图单位m Fig.5 Regional contour of seam floor 图 6 区域水流趋势图单位m Fig.6 Trend of regional flow 2.2 导水通道及其水位标高 据调查，古书院矿与凤凰山矿导水通道及标高 如下① 15 号煤钻孔连通，最低标高 616 m；② 9 号煤 保护煤柱破坏区裂隙连通， 最低标高 625 m； ③ 3 号煤小煤窑破坏区连通，最低标高 645 m。 综合分析认为，古书院矿闭坑后采空区积水对凤凰 山矿构成威胁时水位标高为 625 m。 高都煤业闭坑后矿井涌水首先补给王台铺矿， 综合反映为王台铺矿闭坑后采空区积水直接威胁凤 凰山矿。经调查，王台铺矿与凤凰山矿导水通道及 标高如下 ① 15 号煤 采动裂隙， 最低标高 585 m； ② 9 号煤 小窑破坏区及巷道连通， 最低标高 625 m； ③ 3 号煤小煤窑破坏区连通，最低标高 675 m。 综合分析认为，高都煤业和王台铺矿闭坑后采空区 积水对凤凰山矿构成威胁时水位标高为 625 m。 2.3 闭坑矿井储水空间 以标高 625 m 为周边闭坑矿井采空区积水威胁 警戒线，采用回采空间法[11-12]对闭坑矿井该标高下 储水空间进行估算，其计算公式为 1212 /cosQQQK AMK SL 1 式中 Q 为相互连通的各采掘区储水空间，m3；Q1为有 水力联系的煤层采空区储水空间之和，m3；Q2为与采 空区连通的各种巷道储水空间之和，m3；K1为采空区 积水系数；A 为淹没采空区面积的水平投影，m2；M 为采空区平均采高已采煤层厚度，m；α 为煤层平均 倾角， ； S 为巷道断面面积，m2； L 为巷道累计长度， m；K2为巷道积水系数，煤巷取 0.5，岩巷取 0.8。 公式1中关键参数为老空区积水系数 K1， 根据凤 凰山矿井下老空水疏放实际情况进行了统计，得出了 积水系数 K1的取值范围回采时间 t5 a，K1取 0.30； 5 a≤t10 a 时，K1取 0.2；t≥10 a，K1取 0.1。 利用式1对古书院矿和王台铺矿闭坑矿井 625 m 标高下回采工作面和巷道储水空间进行估算，结果如表 1 和表 2 所示。由表 1 和表 2 可知，古书院矿闭坑后 625 m 标高以下储水空间累计为2 608 976 m3， 王台铺矿 闭坑后625 m 标高以下储水空间累计为1 281 288 m3。 2.4 水害威胁时间界限估算 根据闭坑矿井 2016 年井下涌水量实测统计结 果，古书院矿正常涌水量为 12 000 m3/d，王台铺矿 正常涌水量为 20 000 m3/d，由此估算古书院矿闭坑 后采空区积水水位回升至 625 m 约需 217 d， 王台铺 矿闭坑后采空区积水水位回升至 625 m 约需 64 d。 实际监测结果为古书院矿水位升至 625 m 历时 209 d， 王台铺矿水位升至 625 m 历时 67 d。由此可知，预 测时间与凤凰山矿井实际监测时间基本吻合。 ChaoXing 增刊 1 杨高峰等 晋城矿区凤凰山矿周边闭坑矿井水害分析及治理 17 表 1 闭坑矿井 625 m 标高下回采工作面储水空间估算表 Table 1 Table 1 Estimation of water storage space of the extraction working face below elevation 625 m in closed mines 闭坑矿井 工作面名称 A/m α/ M/m K1 Q1/m3 151304 110 722 7 2.3 0.3 76 972 二盘区西翼煤柱面 78 430 7 2.3 0.3 54 523 94302 193 070 7 1.6 0.2 62 246 古书院矿 小计 2 463 973 2310 106 841 5 2.5 0.2 53 625 2311 108 206 5 2.5 0.2 54 310 2306 158 489 5 2.5 0.2 79 547 王台铺矿 小计 1 207 062 表 2 闭坑矿井 625 m 标高下巷道储水空间估算表 Table 2 Estimation of water storage space of roadways below the elevation 625 m in closed mines 闭坑矿井 巷道名称 S/m2 L/m K2 Q2/m3 154305辅助运输巷 12 386 0.5 2 316 四盘区回风巷 12 834 0.5 5 004 610大巷 12 3 142 0.8 30 163 古书院矿 小计 145 003 5101巷 12 1 779 0.8 17 078 5102巷 12 1 779 0.8 17 078 五盘区专用回风巷 12 475 0.5 2 850 王台铺矿 小计 74 226 3 闭坑矿井水害治理 凤凰山矿井下排水能力为 6 720 m3/d，地面污水 处理厂能力为 9 000 m3/d。受设备及环保压力限制， 通过该矿井下直排处理水量有限， 必须与新建地面直 排系统相结合方能解除闭坑矿井涌水威胁。 3.1 古书院矿闭坑后采空积水治理措施 如图 7 所示，古书院矿西北部的三盘区及东南 部 610 主水仓附近为井田内的两处低洼地带，闭坑 后，矿井涌水将向这两处汇聚。一盘区及二盘区南 部矿井涌水量 300400 m3/h，向 610 主水仓附近汇 聚，四盘区、二盘区北部及三盘区矿井涌水量 150200 m3/h，向西北部的三盘区汇聚。因前者涌 水量大且储水空间相对较小，故其将首先被充满， 充满水后矿井涌水将沿东西翼联络巷并漫过 627 m 至 高点向三盘区汇聚，此时涌水量变为 350600 m3/h， 水位回升速度将迅速增加，直接对凤凰山矿构成严 重水患威胁。鉴于此，防治措施应在 610 主水仓地 面施工直排系统，排水量大于 400 m3/h，将该处水 位控制在 627 m 以下，以阻断其向西北部的三盘区 补给。而三盘区矿井涌水量为 150200 m3/h，凤凰 山矿需通过加强排水系统建设，确保接受该部分矿 井涌水正常排放。 图 7 古书院矿闭坑后矿井涌水汇聚区示意图 Fig.7 Convergence zone of mine inflow after Closure of Gushuyuan mine ChaoXing 18 煤田地质与勘探 第 47 卷 3.2 王台铺矿闭坑后采空区积水治理措施 如图 8 所示，王台铺矿西部的五盘区为井田最 低区域，闭坑后，矿井涌水最终将向该处汇聚。经 调查，三盘区、二盘区北部及五盘区矿井涌水量约 260 m3/h，向五盘区汇聚。因受二盘区中部 650 m 西王台背斜轴部阻隔，一盘区和二盘区南部矿井以 涌水量约 600 m3/h 向 620 主水仓附近汇聚。因后者 涌水量大且储水空间相对较小， 故其将首先被充满， 充满水后矿井涌水将漫过西王台背斜轴部 650 m 标 高向五盘区汇聚，此时涌水量变为 860 m3/h，直接 与凤凰山矿“短兵相接”，对其构成严重水患威胁。 鉴于此，防治措施应在 620 主水仓地面施工直排系 统， 排水量大于 600 m3/h， 将该处水位控制在 650 m 以下，以阻断其向五盘区补给。而五盘区 260 m3/h 的涌水量，同样需要在该区对应地面施工直排系统。 为避开采空区施工，最终将施工位置定于二盘区主水 仓对应地表位置，直排系统排水量应大于 260 m3/h， 将该处水位控制在 625 m 以下。 图 8 王台铺矿闭坑后矿井涌水汇聚区示意图 Fig.8 Convergence zone of mine inflow after closure of Wangfutai mine 3.3 治理效果 基于凤凰山矿周边闭坑矿井采空区积水水患分 析结果，分别在王台铺矿 1 号风井场地内620 主水 仓施工 3 口直排井，在东上村王台铺矿二盘区主 水仓施工 2 口直排井，在古书院矿 2 号污水处理厂 内古书院矿 610 主水仓施工 2 口直排井，各直排 井均下入 220 m3/h 矿用潜水泵排水。目前王台铺矿 1 号风井场地内直排井抽水量约 550 m3/h，东上村 直排井抽水量约 300 m3/h，古书院矿 2 号污水处理 厂直排井抽水量约 350 m3/h，三处直排系统正常运 行，有效地阻止了周边闭坑矿井采空积水进入凤凰 山矿，确保了矿井安全生产。 4 结 论 a. 凤凰山矿整体为一倾向 NW 的单斜构造， 地 势 SE 高 NW 低，凤凰山矿南部的二盘区整体地势 最低，为区域汇水点。凤凰山矿井田外汇水区集中 在王台铺矿西部的五盘区、古书院矿西北部的三盘 区及东南部 610 主水仓附近。 b. 周边闭坑矿井采空区积水对凤凰山矿开 始构成威胁的水位标高为 625 m。采用回采空间 法估算，古书院矿闭坑后 625 m 标高以下储水空 间累计为 2 608 976 m3，水位回升至 625 m 用时 约需 217 d；王台铺矿闭坑后 625 m 标高以下储 水空间累计为 1 281 288 m3，水位回升至 625 m 用时约需 64 d。预测时间与凤凰山矿井实际监测 时间基本吻合。 c. 基于凤凰山矿周边闭坑矿井采空区积水水 害分析，在闭坑矿井采空区积水汇聚区建立地面直 排系统，并将水位控制在特定标高以下，确保了凤 凰山矿安全生产。 参考文献 [1] 武强， 李松营. 闭坑矿山的正负生态环境效益与对策[J]. 煤炭 学报，2018，43121–32. 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