岩溶充水煤矿床带水压开采优势分析

卿国屏，何红生，唐忆晨，张江柳

(1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙410014；2.湖南煤业集团辰溪矿业有限公司，湖南 辰溪419500)

湖南、贵州、广西等地广泛分布岩溶充水煤矿床。众所周知，岩溶充水煤矿床一般采取强排疏干开采，往往引发严重的环境地质问题，如岩溶地面塌陷、地下水资源枯竭等，造成农田损毁、建构筑物破坏、地表水倒灌、井泉干枯等。严重地破坏了地质环境，造成了巨大的经济损失及恶劣的社会影响，且矿井涌水量大，排水成本极高。例如湖南煤炭坝煤矿开采造成地下水降落漏斗影响范围在300km2以上，引发了大范围的岩溶地面塌陷，对环境造成极大的破坏，排水量达13000m3/h，2012年的排水费达2.4亿元。

大坪煤矿为岩溶充水煤矿床。前期采用强排疏干采煤，也引发了类似的环境问题；后期采取建水闸墙堵水的措施，采用带水压开采方式开采，取得了良好的效果，符合资源节约型、环境友好型矿山建设要求。下面以湖南煤业集团辰溪矿业有限公司大坪煤矿岩溶充水矿床带水压开采为例，在实地广泛调查、收集了大量技术资料的基础上综合分析带水压开采的优势。

1 大坪煤矿概况

1.1 开采概况

大坪煤矿始建于1968年1月，1971年12月投产，为地下开采；设计生产能力10万t/a，2007年核定生产规模6万t/a，矿区面积6.3539km2，准采下限为-400m。矿山开采二叠系吴家坪组8煤层，煤层厚0～2.50m，平均厚0.82m。该矿属顶、底板岩溶充水矿井。矿井划分五个水平开拓，依次为±0m、 -75m、 -150m、-280m、-400m水平。目前最低开拓到-400m水平。主要巷道均布置在茅口组灰岩中。采用短壁式开采方式及全部陷落法管理顶板。

1.2 矿区水文地质概况

1.2.1 直接充水含水层特征

大坪煤矿位于大坪井田内，水文地质单元为倾向北西的单斜蓄水构造。区内地表水主要有双溪河及大坪溪。吴家坪组与茅口组灰岩岩溶含水层分别为开采煤层顶、底板直接充水含水层。

吴家坪组岩性为厚层状灰岩，一般厚83m，为8煤层直接顶板。地表岩溶发育，多形成岩溶漏斗、洼地等；出露的泉流量0.10～54.10 L/s。本矿区24个钻孔揭露了吴家坪组灰岩，有3个钻孔遇见溶洞3个，钻孔溶洞能见率12.5%，溶洞总高为15.8m，溶洞发育标高+161.22～+173.46m。1个钻孔遇裂隙，最低发育标高+96.37m。地下水位标高为+175.0～+195.50m；经钻孔抽水试验，单位涌水量为0.158L/s· m。该含水层为富水性强的承压含水层。

茅口组岩性为厚层状石灰岩夹白云质灰岩，位于煤系地层下部。地表出露的泉流量0.30～100 L/s。全区24个钻孔揭露了茅口组灰岩，有5个钻孔遇见溶洞11个，钻孔溶洞能见率20.8%，溶洞总高14.92m，溶洞发育标高+6.84～+175.85m。1个钻孔遇裂隙，最低发育标高+96.37m。8煤层与茅口灰岩中间虽隔有0～2.77m厚的铝土岩，但一般不具普遍隔水作用。地下水位标高为+176.65～+197.59m；经6-3孔放水试验，单位涌水量为0.252L/s·m，渗透系数为0.209m/d。该含水层为富水性强的岩溶裂隙承压含水层。

1.2.2 断层的富水性、导水性

区内断层较发育，其中富水性、导水性强的断层有F3、F4、F5、F8，简述如下文所示。

F3断层：据该断层附近的7-4孔放水试验结果，单位涌水量为0.158l/s·m，渗透系数0.108m/d。1972年8月26日，大坪煤矿开采+107m中段时发生矿井突水，8小时后地面井水干枯；突水64小时后，地面产生塌陷8处，影响范围1km2。F3断层位于突井下水点与地面干枯井、塌陷区之间，说明F3断层的富水性、导水性强。

F4断层：据该断层附近的6-3孔放水试验，单位涌水量为0.25l/s·m，渗透系数0.209m/d。表明该断层的富水性、导水性强。

F5断层：1988年8月21日，大坪煤矿南翼+100m平巷发生突水，瞬时突水量5150m3/h，淹没了矿井，造成大坪溪溪水下灌而断流，地面形成18个塌陷群，最大的塌陷群位于F5断层附近，面积9000m2，表明断层含、导水性强。

F8断层：1988年8月21日，大坪煤矿于南翼+100m平巷突水，造成F8断层两盘地面发生大面积塌陷。说明F8断层含、导水性强。

综上所述，大坪煤矿可采煤层顶、底板直接充水含水层分别为吴家坪组、茅口组强岩溶裂隙含水层，矿区内断层的富水性、导水性强，对矿井充水影响大，本矿水文地质条件为复杂类型。

1.3 煤层顶、底板工程地质特征

1)煤层顶板：8煤层伪顶为碳质泥岩，厚0～0.20m，回采时和煤一起脱落，不用专门放顶。直接顶为吴家坪组灰岩，抗压性能强，层面平整，起伏不大，岩层稳定，生产中大部分可不用支护。属Ⅱ～Ⅲ级顶板。

2)煤层底板：8煤层直接底板为一层灰～灰绿色铝土岩或铝土质泥岩，硬度小，略具可塑性，厚0～2.77m，一般为1.50m。间接底板为茅口组灰岩，属坚硬岩层。

2 大坪煤矿带水压开采方式

2.1 矿井突水概况

据统计，大坪煤矿自建矿40多年以来，井下开拓区共遇见56个突水点与淋水点，其中突水点29个，淋水点27个。涌水量大于100m3/h的突水点主要分布在±0m标高以上，个别在±0m ～-150m标高之间，-150m标高以下突水点涌水量在2～60m3/h范围内，涌水量较小。突水量最大的一次发生在1988年8月21日+100m平巷突水，突水流量5150m3/h，淹没了矿井，死亡2人；造成大坪溪溪水下灌而断流，地面形成18个塌陷群，最大的塌陷群面积9000m2。井下淋水点主要分布在-300m标高以下(详见图1)。

图1 大坪煤矿井下突水点及水闸墙分布示意图

2.2 带水压开采方式

大坪煤矿40多年的开采历史，也是矿山企业不断同矿井水害作斗争的历史。针对矿井突水问题，矿山采取了砌筑水闸墙、注浆堵水措施实施井下堵水防治工程，创造了巨大的经济效益，杜绝了矿井透水的安全事故。

矿山在井下修建水闸墙，在水闸墙出水管安装了水压表，定期对水压进行监测，控制矿井的排水量。1985年11月首座水闸墙在该矿井问世，至今已建成42座(详见图1)。按分布标高统计，±0m以上18座，±0～-150m段12座，-150～-300m段9座，-300m以下3座。由此可见，水闸墙主要分布在-150m水平以上。按建设时间统计，1985～2002年底共建设了16座，2003年年内建设了15座，2003～2013年建设了11座，2003年为全面集中治水年。通过水闸墙防治水工程的建设，矿井涌水量明显减少，矿井年平均涌水量由2002年的1413m3/h减少至2004年的407m3/h(详见表1)。地下水位得以全面恢复，如F3断层下盘北翼2003年6月封堵后，地下水位恢复到+160m标高，局部呈现地下水补给地表水的状态。

3 大坪煤矿带水压开采优势分析

3.1 经济效益分析

大坪煤矿2003年为集中治水年，全面实现了带水压开采。因此，以2002年作为基准年进行经济估算分析。据调查，矿山从2003～2013年共建水闸墙26座，每座水闸墙建设费约3万元，花费资金共78万元。与2002年比较，2003～2012年底小时排水量减少了701～1178m3，10年间共减少排水量88230720m3，共节约用电量6700万kWh，按平均0.72元/kWh计算，共节约排水费4824万元，扣除水闸墙建设费，矿山增效4746万元。矿山尚存可采资源储量约70万t，可开采9年，按此标准计算，可节约排水费4275万元。2003年后至矿井闭坑可为矿山共计增效9021万元。因此，带水压开采为矿山企业创造了巨大的经济效益。

表1 大坪煤矿历年年平均涌水量统计

3.2 环境效益分析

大坪煤矿前期强排疏干开采引发最突出的环境地质问题为岩溶地面塌陷及区域性地下水位下降。据统计，矿山建矿40多年以来，累计发生岩溶塌陷约85个，塌陷分布范围达1.93km2，共毁坏民房51栋，影响300多人的人生命财产安全，破坏了57亩稻田，并造成了大坪溪断流。岩溶地面塌陷主要集中发生在1973年、1988年、1993年，塌陷数量分别为9处、18处、9处，共计34处，占总数的40%。前期强排疏干开采引区域性地下水位下降，造成了井泉干枯，导致1700人饮水因难。

2003年全面实行带水压开采以来，地下水位得以区域性恢复。至今未引发或加剧过岩溶地面塌陷；井泉水位明显上升，绝大部分居民饮用井泉水得到保障。因此，带水压开采所产生的环境效益十分明显。

3.3 社会效益分析

大坪煤矿前期强排疏干开采引发的地下水位资源枯竭、岩溶地面塌陷等环境地质问题往往影响矿区居民的生产生活用水，威胁其生命财产安全；造成工农关系矛盾，干群关系紧张，影响社会稳定等一系列的社会问题。而带水压开采能控制地下水位降幅，防止井泉干枯与岩溶地面塌陷，能最大限度地保护地质环境，达到资源开发与环境的协调发展；进而确保矿区居民的生命财产安全，使矿区居民安居乐业，保持社会的稳定。因此，带水压开采产生的社会效益也是不可低估的。

综上所述，带水压开采给大坪煤矿带来了巨大的经济效益及明显的环境效益与社会效益。

4 结束语

大坪煤矿为顶、底板岩溶充水的水文地质条件复杂矿井，该矿从强排疏干开采到成功实现带水压开采，不仅是矿山企业矿区环境保护意识的提高，更是从认识岩溶发育规律到利用岩溶发育规律成功治水的提升。打破了岩溶充水矿床传统的强排疏干开采的旧思维，开创了带水压开采的新局面。

岩溶含水层具有不均一性，只有岩溶发育地段才有含、导水空间；不发育地段，其本身就是一个隔水层(体)。大坪煤矿就是利用岩溶发育的不均一性规律，成功实现了顶底板岩溶充水矿床的带水压开采，创造了巨大的的经济效益及明显的环境效益与社会效益，其优势显而易见。这对岩溶充水煤矿床资源开发与环境保护起到十分重要的示范作用。

湖南湘中、湘西北，广西桂中、贵州黔西等地广泛分布岩溶充水煤矿床。就湖南而言，岩溶充水煤矿床主要分布在涟邵煤田、韶山煤田、黔涂煤田及桑石煤田，据统计，截至2009年底，保有资源储量约3.5亿t，约占湖南省保有资源储量的11%。如何科学、安全、环保地开发这类煤矿资源，可以借鉴大坪煤矿带水压开采的成功经验，将会产生巨大的经济效益、环境效益与社会效益。

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