開采下組煤礦井排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：文章以郭二莊煤礦為例，對開采下組煤礦井排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用進行了探討。隨著礦井開采深度的逐年增加，水文地質(zhì)條件均趨于復(fù)雜，防治水工作難度亦逐年加大。而利用現(xiàn)有排水系統(tǒng)工程或部分工程進行改造，不僅減少了建設(shè)工程的投資，加快了工程的建設(shè)，還能夠滿足礦井開采下組煤排水和設(shè)防的要求。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；排水系統(tǒng)；生產(chǎn)礦井；防治水；組煤礦井 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD442 文章編號：1009-2374（2015）19-0167-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.083

1 項目背景

1.1 礦井概況

郭二莊煤礦二坑于1984年開始對該區(qū)的下組煤進行了勘探和設(shè)計，并做了大量水文地質(zhì)和防治水工作。1986年完成《郭二莊煤礦-100m防排水工程初步設(shè)計》及批復(fù)，1988年進入-100m防排水工程實施階段。該防排水工程為正壓排水系統(tǒng)，設(shè)置于張二莊村莊煤柱內(nèi)（一坑和二坑交界處），自一坑二水平軌道暗斜井-100m標高布置大巷至工程設(shè)計位置，由一坑擔(dān)負該排水工程的施工、運輸及維護，工程主要有-100運輸大巷、泵房、變電所、水倉、管子道、排水管子井及地面張二莊35kV變電站，該工程于1993年完工。

2002年，奧灰水水位持續(xù)下降至+65m左右，在不帶壓的基礎(chǔ)上，郭二莊煤礦二坑利用原有生產(chǎn)系統(tǒng)對+73m

以淺下組煤進行了試采，下組煤試采正式進入實施階段。

2008年開始，二坑進行了安全改造工程，在工業(yè)廣場內(nèi)新建一混合井，混合井裝備主副兩套提升設(shè)備擔(dān)負煤炭及輔助提升任務(wù)，利用淺部的兩個小窯井筒并聯(lián)擔(dān)負回風(fēng)任務(wù)，形成+73m、+20m運輸和回風(fēng)系統(tǒng)。各系統(tǒng)設(shè)計下組煤開采排水系統(tǒng)設(shè)計選擇最為重要。

1.2 地質(zhì)概況

井田內(nèi)出露的地層自老至新依次有中奧陶統(tǒng)、石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組及第四系。井田內(nèi)與開采下組煤有關(guān)的含水層，自下而上主要有中奧陶系灰?guī)r、本溪灰?guī)r、上石炭系大青灰?guī)r、伏青灰?guī)r。

開采下組煤影響最大的是含水層為中奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層。中奧陶系灰?guī)r總厚約600m，由于六段以角礫狀灰?guī)r、角礫為主，泥質(zhì)及白云質(zhì)含量高，巖溶不發(fā)育，富水性微弱，厚度為31.03～66.72m，阻擋了下部灰?guī)r的地下向礦井充水，因此與下組煤開采有關(guān)的直接或間接充水含水層層段為奧灰七段和八段。

奧灰第七段以深灰色厚層灰?guī)r及花斑狀灰?guī)r為主，平均厚度85.47m，富水性較強，巖溶發(fā)育。

近十幾年來，奧灰水位下降幅度較大，尤其自1997年以來，水位持續(xù)下降，由1997年的+140m降至2011年的+10m，年度恢復(fù)幅度僅為5～20m。主要原因是工農(nóng)業(yè)取水量加大所至，并且這一過程將持續(xù)下去，奧灰水位將不會大幅度回升。

礦井開采井田-100m水平開采下組煤的主要充水水源為大青、伏青、本溪、奧陶系灰?guī)r和巖漿巖裂隙含水層。

充水因素分析：根據(jù)下組煤地區(qū)水文地質(zhì)條件，可以預(yù)計開采過程中存在以下三種礦井充水因素：

（1）-100m水平伏青、大青灰?guī)r疏干涌水；（2）開采過程中本溪灰?guī)r涌水，如斷層導(dǎo)水、開采底板涌水；（3）奧灰突水，如未封鉆孔、斷層、開采突水等。

-100m下組煤開采中正常涌水和最大涌水量由前兩項構(gòu)成，設(shè)防水量主要由奧灰突水水量構(gòu)成。

-100水平下組煤正常涌水量為264.8m3/h；不考慮奧灰突水的最大涌水量為339.1m3/h；奧灰水疏降到-100m水平時涌水量為1748m3/h；水平最大（設(shè)防）涌水量為2087.1m3/h。

2 排水方案

2.1 安全原則

下組煤開采防止底板突水是保證安全開采的關(guān)鍵，一旦突水，要保證不淹礦井、不傷人，將水患控制在最小范圍內(nèi)，為此必須要有嚴格的安全技術(shù)措施，并認真執(zhí)行是極為重要的。

首先要遵循下組煤的開采原則，即由淺至深、先易后難、循序漸進和選擇性開采。其次建立下組煤開采獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，分區(qū)隔離；治水方面，以防為主，堅持預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采的原則，采取防堵疏排截的綜合治理措施；帶壓開采，必要時輔以疏放；選擇恰當?shù)牟擅汗に嚕瑴p少對底板的破壞深度；建立必要的礦井設(shè)防排水能力和可靠的防水設(shè)施；建立礦井抗災(zāi)組織系統(tǒng)，明確避災(zāi)路線，完善通風(fēng)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)；定期對防排水設(shè)施維護等諸方面。

依據(jù)防治水工作的基本原則，重點應(yīng)該放在以下四個方面：（1）分區(qū)隔離開采，減小突發(fā)水害事故的災(zāi)害損失；（2）建立防排水系統(tǒng)，提升排水能力，建立應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對突發(fā)水害事故；（3）探治結(jié)合，探查煤層底板隱伏導(dǎo)水構(gòu)造，注漿加固煤層底板薄弱區(qū)段，甚至全面改造煤層底板隔水層，防治底板突水；（4）優(yōu)化堅硬頂板管理方式，減小采煤對底板隔水層的擾動破壞深度。

2.2 排水系統(tǒng)的設(shè)計

對于開采下組煤排水系統(tǒng)，可以在首采區(qū)的下部-100m標高新建防排水系統(tǒng)，但存在以下特點：（1）建設(shè)泵房、變電所、水倉等工程時無法疏放大青、伏青及巖漿巖裂隙含水層的水；（2）在工程地質(zhì)條件上太原組地層巖性較差，遇水軟化膨脹，支護較困難，不適合施工大斷面硐室及水倉工程；（3）工程量比較大，新建泵房、通道及水倉需要1370m/1880m3，新建變電所及通道需要20m/640m3；（4）混合井井筒需要布置3趟Φ377排水管路，布置困難；（5）可以根據(jù)當前的排水設(shè)備進行最優(yōu)的排水系統(tǒng)設(shè)計，可選潛水泵。

另外可以利用前期的強排系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在以下特點：（1）該強排系統(tǒng)方案的設(shè)計、選址、文件的批復(fù)均已完成，并且施工了部分工程且項目質(zhì)量保存良好；（2）剩余工程不多，在完成-100疏水巷（1019m）、水閘墻工程（15m），事故水倉（50m），進行泵房、變電所部分改造和安裝設(shè)備后即可服務(wù)于-100m水平下組煤的開采，其施工條件均已具備；（3）需要對泵房、變電所實際情況進行設(shè)備選型，設(shè)計上比較繁瑣。

綜合考慮-100水平另選址建設(shè)防排水系統(tǒng)是不合適的，利用原設(shè)計的-100m水平強排水工程，服務(wù)-100m水平下組煤開采是最佳選擇。與新建-100m排水系統(tǒng)工程相比，工程量減少306m/2520m3，估算工程建設(shè)可節(jié)約投資約683.7萬元。

2.3 泵房的設(shè)置

在-100m水平設(shè)置中央排水泵房，直接將礦井水通過管子道、管子井排至地面+214m。根據(jù)礦井提供正常涌水量（Qz=264.8m3/h），最大涌水量（Qd=439.1m3/h），設(shè)防涌水量（Qd=2087.1m3/h），排水高度（Hn=327.4m）等參數(shù)設(shè)計計算選擇布置有7臺MD500-57×6型水泵，正常涌水時1臺泵工作，最大涌水時2臺泵同時工作，設(shè)防涌水時6臺泵同時工作；布置3趟排水管，正常涌水量時，1趟工作，2趟備用；最大涌水時可1趟工作，也可2趟同時工作。6臺泵同時工作，3趟管路同時工作。

2.4 管路的設(shè)置

管路的設(shè)置既要滿足正常排水系統(tǒng)的要求，又要滿足突水時排水系統(tǒng)的要求。經(jīng)計算選直徑為Φ377×11的無縫鋼管作為排水管路，共布置3趟排水管，正常涌水量時，1趟工作，2趟備用；最大涌水時可1趟工作，也可2趟同時工作。設(shè)防涌水時，3趟管路同時工作。

3 完成情況

礦井-100排水系統(tǒng)恢復(fù)于2010年開始實施，2011年投入運行，三年來系統(tǒng)運行狀況良好，沒有發(fā)生故障，確保了礦井排水設(shè)防的安全。主要關(guān)鍵點是：（1）下組煤開采防止底板突水是保證安全開采的關(guān)鍵，一旦突水，要保證不淹礦井、不傷人、將水患控制在最小范圍內(nèi)，為此必須要有嚴格的安全技術(shù)措施，并認真執(zhí)行是極為重要的；（2）建立獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)：將一坑與二坑和二坑上下組煤系統(tǒng)之間隔離，設(shè)計采用水閘門和水閘墻隔離方式，在必要時封閉采區(qū)，保證不淹井、不影響一坑生產(chǎn)系統(tǒng)。一采區(qū)設(shè)計在+73m石門和軌道暗斜井處各設(shè)一道1.0MPa的平板水閘門。在-100m主石門設(shè)一道水閘墻，礦井一、二坑連通處均采用水閘墻封閉隔離；（3）利用原有下組煤排水工程建立-100m水平強排工程，根據(jù)-100m水平下組煤涌水量預(yù)計，本次設(shè)計-100m水平泵房排水能力按2087.1m3/h設(shè)防考慮。

4 結(jié)語

生產(chǎn)礦井有其特殊性，開采深度逐年增加，水文地質(zhì)條件均趨于復(fù)雜，防治水工作難度亦逐年加大。而利用現(xiàn)有排水系統(tǒng)工程或部分工程進行改造，不僅減少了建設(shè)工程的投資，加快了工程的建設(shè)，而且能夠滿足礦井開采下組煤排水和設(shè)防的要求。本設(shè)計針對性和實用性較強。

參考文獻

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[3]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：李曉寧（1980-），男，山東臨沂人，冀中能源邯礦集團設(shè)計工程部工程師，研究生，研究方向：煤礦

設(shè)計。

（責(zé)任編輯：王 波）