兗礦開展水害監(jiān)測與治理實踐

文/李劍峰

為保障采礦安全，防止水害發(fā)生，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司對多個下屬煤礦水害方面存在的問題進(jìn)行研究與分析，并與科研單位積極開展技術(shù)攻關(guān)，通過實踐治理，有效保障了礦井開采安全。

井下安全查崗 楊濤/攝

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的過程中，各種類型的水源水會通過不同的途徑進(jìn)入到井下巷道和工作面。為了保證采礦的安全、防止水害的發(fā)生，就需要將礦井的涌水向外排出。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國煤礦礦井水排放量約為42億m3，約占整個采礦業(yè)（有色冶金、黃金、化工等礦山)80%，而利用率約為26%。為此，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下屬多個煤礦對治理礦井水害方面存在的問題進(jìn)行認(rèn)真分析，積極應(yīng)用當(dāng)前已有的適用新技術(shù)，并與有關(guān)單位共同開展科技攻關(guān)，有效地保障了礦井開采的安全。

礦井涌水監(jiān)測

礦井涌水量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

隨著礦井開采范圍的不斷擴(kuò)大和開采深度的增加，井下涌水量的觀測點也越來越多、分布愈加零散，涌水量的觀測任務(wù)日益嚴(yán)重。“流速儀法”“堰測法”等傳統(tǒng)的水量測量方法工作量大、測量時間間隔長、獲得的數(shù)據(jù)有限、人為誤差大。為此，中國礦業(yè)大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦研制了新型的礦井涌水量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，集水力學(xué)、計算機(jī)、通信和傳感器測量等技術(shù)于一體，克服了原有水量傳統(tǒng)測量方法的諸多缺點，對于及時準(zhǔn)確地掌握地下水的動態(tài)規(guī)律和有針對性地開展防治水工作具有重要的意義。

礦井涌水量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用分級分布式計算機(jī)結(jié)構(gòu)，包括井下測量系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩大部分。在每個測水點，傳感器采集兩路水流的信息（水頭高度、水底深度），再通過液位流量計進(jìn)行處理，將信號轉(zhuǎn)換成電信號送入監(jiān)測分站，監(jiān)測分站與地面的計算機(jī)為單向數(shù)據(jù)傳輸，并且轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號送入水文站微機(jī)的接口，水文站微機(jī)從接口采集井下水流的信息，然后進(jìn)行顯示、存儲和統(tǒng)計分析處理，還能夠由打印機(jī)打印出豐富實用的曲線和報表。

此項成果的擴(kuò)容性好，可以在井下大面積范圍內(nèi)進(jìn)行涌水量的實時同步觀測；可以根據(jù)需要按照任意的時間密度進(jìn)行連續(xù)觀測，使得涌水量的觀測曲線更加趨于真實狀態(tài)；可以利用井下已有的通訊線路，無需單獨敷線；減輕了水文測量的工作量，實現(xiàn)了監(jiān)測點水文資料管理的科學(xué)化和系統(tǒng)化。

礦井涌水量自動監(jiān)測系統(tǒng)

由中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的先進(jìn)完備的礦井涌水量自動監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)在兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦投入使用。整個系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計合理，其中的KGC2型自動監(jiān)測裝置達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對各個實時監(jiān)控終端機(jī)的數(shù)據(jù)收集和處理，從而完成對整個礦井涌水量的連續(xù)監(jiān)測；終端機(jī)采用單片機(jī)開發(fā)的KGC3型自動監(jiān)測裝置，主要是實現(xiàn)對現(xiàn)場水位和沉泥位的自動監(jiān)測，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇多種標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸出或者通過其串口進(jìn)行串行通信，另外還可以實現(xiàn)單機(jī)獨立測量以及輸出顯示。

涌水量自動監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)的實時功能有：監(jiān)測礦井井下涌水量的大小；越限的時候進(jìn)行實時報警以及報警記錄的顯示查詢、報表打印等；系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置；監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動記錄以及歷史記錄的查詢打印等；監(jiān)測數(shù)據(jù)報表、變化趨勢曲線的自動生成以及打印；人機(jī)界面友好，具有幫助、提示等輔助功能。

由于一般在礦井下順?biāo)壑谐聊嗔康淖兓徛唬此^高度）的變化比較快，因此在對順?biāo)塾克窟M(jìn)行監(jiān)測的時候，采取了對水位測量間隔時間短而對沉泥位測量間隔時間長的辦法。經(jīng)過在現(xiàn)場的實際運行，證明可以很好地反映實際情況。

監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)在礦井水害治理中的應(yīng)用

迄今為止，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所屬南屯煤礦、北宿煤礦等8對礦井均安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在本礦聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上又實現(xiàn)了與兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的聯(lián)網(wǎng)，相關(guān)部門都能夠看到監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)。

實踐表明，監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用全面提高了礦井的安全管理水平。在礦井水害治理方面，生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測功能使監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測到水倉水位及各種機(jī)電設(shè)備開停等。這些參數(shù)的監(jiān)測通過網(wǎng)絡(luò)傳到調(diào)度臺，使調(diào)度人員能夠隨時看到有關(guān)設(shè)備的運行情況，通過監(jiān)測各水倉水位及時調(diào)度排水。礦井各重要水倉均安設(shè)水位傳感器及水泵開停傳感器。這些傳感器通過監(jiān)測分站和監(jiān)測線路傳到地面監(jiān)測主機(jī)，再通過礦局域網(wǎng)傳到調(diào)度臺。調(diào)度員通過聯(lián)網(wǎng)微機(jī)能夠清楚看到井下各水倉的水位情況及水泵開停，根據(jù)水倉水位調(diào)度排水，同時通過查看水位及水泵的歷史記錄分析變化趨勢，出現(xiàn)排水事故時可以作為分析依據(jù)。例如，北宿煤礦采用傳感器監(jiān)測井下水倉水位、水泵入口真空度及出口壓力、電動機(jī)工作電流等參數(shù)，并利用可編程序控制器根據(jù)水倉水位的高低和連續(xù)開機(jī)次數(shù)累加等條件自動控制3臺泵的啟動和停止，實現(xiàn)輪換啟動、故障報警和停機(jī)。

礦井水害防治與治理研究

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司不僅在綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)的研究方面得到了快速發(fā)展，而且在礦井水的防治等方面也有了顯著的發(fā)展和提高，并且?guī)恿讼嚓P(guān)專業(yè)以及安全保障技術(shù)的發(fā)展，形成了比較完整的厚煤層綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)體系以及安全保障體系。

兗州礦區(qū)的礦井水防治技術(shù)

一是認(rèn)真研究在新的巷道布置條件下礦井的排放水系統(tǒng)，這是在大量取消巖石巷道而采用煤巷布置的情況下，給工作面的排放水工作帶來的新課題。兗州礦區(qū)原來的布置方式可以直接通過鉆孔使順槽與其下部的巖石巷道聯(lián)通，取消巖石巷道以后則只能夠在順槽內(nèi)通過水泵和排水管路排水，因而必需完善工作面的排水系統(tǒng)，按照預(yù)計最大涌水量的1.5～2倍配備排水能力，保證來水能夠排得出去。另外，在采區(qū)巷道設(shè)計的時候也必須充分地考慮到排水的要求，采區(qū)的邊界巷和必要的泄水巷要給予保留，以便在工作面的最低洼處能夠施工排水鉆孔。

二是堅持水害的定期排查制度，對礦井的水害情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。對于防治水害的重點區(qū)域，采用瞬變電磁儀從地面探測礦井水和用音頻電透儀從井下探測礦井水的方法。對于富水區(qū)則打鉆進(jìn)行超前探險放水。對預(yù)計涌水量比較大或者提高開采上限的工作面則布置了專門的匯水巷道進(jìn)行排水。

通過含水層的水化學(xué)特征判別水源

礦井突水和淋水惡化了井下的工作條件，影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司北宿煤礦在開采過程中發(fā)生過3次突水事故。為此，他們根據(jù)大量的地下水化學(xué)資料，詳細(xì)地分析了該礦各個含水層的水文地球化學(xué)特征，揭示了各個含水層的補(bǔ)、徑、排條件及其對煤礦充水的意義，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

鑒于煤礦各個含水層的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件不同，地下水的補(bǔ)、徑、排條件和水文地球化學(xué)作用過程不同，因此其化學(xué)成分有著明顯的差異性，通過對井下出水點化學(xué)特性的分析研究，可以判別突水水源以及充水程度，以便采取有效的防治水措施。

礦區(qū)水害治理實踐

礦井突水的綜合治理

山東武所屯生建煤礦在井下主要大巷——東翼延深膠帶大巷開拓的過程中,于一背斜構(gòu)造的軸部附近發(fā)生了突水險情，后來由兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司楊村煤礦派出搶險人員前往成功地進(jìn)行了治理。

為了確保在迎頭出水治理的時候不會在后面再出現(xiàn)新的出水點，楊村煤礦派出搶救隊伍決定進(jìn)行底板改造，消除十二灰再突水的通道。由于出水點處距十二灰太近，僅有1 m厚而且凈水壓在0.5～1 MPa，采用加設(shè)擋水墻治理迎頭活水最有效，其他方法均不可靠或者工期長。為了確保擋水墻達(dá)到技術(shù)要求，必須對住副墻的夾縫進(jìn)行注漿。實踐過程中，因為單液漏漿嚴(yán)重故而改用水泥水玻璃雙液注漿，終壓為3 MPa，滿足了施工的要求。迎頭采用濃度為1.5的水泥漿單液注漿。先從墻體預(yù)設(shè)排水管中注入（排水管上均安裝有高壓閥門），在注入水泥約5 t的時候，墻體的一側(cè)有清水滲出時停注（墻體圍巖為砂質(zhì)泥巖），改由4#鉆孔中注入。為了檢查施工的質(zhì)量，在迎頭墻體的位置處又施工了5#、6#（檢查孔）。5#孔長度為25 m，已經(jīng)穿過迎頭16 m，鉆孔內(nèi)無水；6#孔穿過擋水墻進(jìn)入已經(jīng)封住的迎頭，鉆孔內(nèi)亦無水，均說明達(dá)到了對山東武所屯生建煤礦井下突水的治理效果。

北宿煤礦疏放唐村煤礦積水工程系統(tǒng)優(yōu)化

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司唐村煤礦關(guān)井閉坑以后，其老空水將通過各種途徑向相鄰礦井滲漏。當(dāng)水位較低時，主要向北宿煤礦的五采區(qū)擴(kuò)大區(qū)滲漏，滲漏方式主要為邊界煤巖柱的透水層。由于唐村煤礦不再保留排水系統(tǒng)，其老空水由北宿煤礦井下疏放，并由北宿煤礦的主排水系統(tǒng)排出。鑒于北宿煤礦排水系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足此要求，他們對礦井疏放及排水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。

北宿煤礦-290水平的正常涌水量為75 m3/h，加上唐村煤礦的疏放水量約為150 m3/h。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“正常涌水量在1 000 m3/h以下時，井下主要水倉的有效容量應(yīng)當(dāng)能容納8h的正常涌水量”這一要求，對礦井的排水能力進(jìn)行了綜合評價以后，認(rèn)為由于增加了唐村煤礦老空積水，北宿煤礦原有的-290中央水倉已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)有排水量的要求。

因此，北宿煤礦在原有-290水倉外新建了1個環(huán)水倉，工程量為200 m，容積為1 200 m3。同時，對-290中央水倉的水泵和排水管路進(jìn)行了更換，水泵由原來的150D30×4型更換為200D43×3型，排水管路由原來的194 mm更換為219 mm，滿足了礦井排水的要求。

煤礦直通放水孔的研究實踐

山東煤田地質(zhì)局和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司興隆莊煤礦開展了直通放水孔施工方法的研究與實踐，通過對第三含水層的放水實驗，為煤礦井下疏水降壓的可行性研究提供了科學(xué)的水文資料。

兗州煤田屬于隱蔽型煤田，其西、北部煤系地層露頭普遍被巨厚的第四系松散層覆蓋著。第四系松散層按照含水性和隔水性可以分為3個含水層和2個隔水層，底部含水層即第三含水層直接和煤系地層接觸，因此在礦井設(shè)計的時候預(yù)留了尺寸比較大的防水煤柱。為了解放水體下的壓煤和變防水煤柱為防砂煤柱，從而進(jìn)一步開采淺部的煤層，就必須準(zhǔn)確地掌握第三含水層的賦水條件，并且進(jìn)行疏水降壓的準(zhǔn)確預(yù)測。

該工程的主要技術(shù)措施是鉆進(jìn)及擴(kuò)孔的時候均采用鉆鋌加壓，分級擴(kuò)孔的時候使用導(dǎo)向鉆具并且采取扶正措施；由下向上實行基巖止水、基巖-第四系界面止水、第三含水層上部止水；第三含水層與孔內(nèi)過水通道的通暢程度直接影響到放水試驗的質(zhì)量和所取得水文資料的可信程度，所以在放水之前進(jìn)行了較為細(xì)致的沖孔工作；3次降深抽水試驗完成以后即可以下堵水塞；根據(jù)測井資料計算出鉆孔的偏斜位置，通過在井下巷道的開挖，找到下放的套管并且將放水閥門、管線和儀表聯(lián)接好以后，即可進(jìn)行放水試驗；控制過水通道的開度就能夠控制放水流量的大小。

此項工程有3個難點：為了便于井下開挖找孔和安裝放水管線以及設(shè)備，鉆孔的終孔靶點必須位于預(yù)計的靶區(qū)范圍以內(nèi)，所以要求鉆孔的偏斜度很小；各個部位的止水必須一次性成功，第三含水層處的花管和濾網(wǎng)過水通道必須暢通；向井下放水的通道需要在地面準(zhǔn)確及時地啟用，并且能夠控制放水流量的大小。

通過實踐得出結(jié)論，孔內(nèi)的花管及濾網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具有強(qiáng)度高、壽命長、孔隙大等特點，才能夠滿足大流量、長時間放水的需要。