劉清寶,丁 湘,馮 潔,張 坤
“八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式的構建與應用
劉清寶1,丁 湘2,馮 潔2,張 坤2
(1. 中煤西安設計工程有限責任公司,陜西 西安 710054;2. 中煤能源研究院有限責任公司,陜西 西安 710054)
煤礦水害防治是礦井安全管控的重點之一,但缺乏全面、系統、可控的技術管理手段,制約著煤炭資源的安全高效開采,為了科學、有效地指導煤礦水害防治工作,以鄂爾多斯盆地深部煤礦頂板水害為例,運用系統工程與閉環式管理的理論體系,提出了“立體探查、預測預報、追蹤探放、分段疏降、采前評價、階梯排水、監測預警、總結優化”的頂板水害閉環式管控模式,該模式涵蓋了水文地質條件探查、水害預測、頂板水疏排、水害監測預警等全過程的管理、控制,形成了從水害治理效果到水害防治過程中每個階段的反饋通路,組成一個水害防治閉合回路,保障了防治水工作有據可依、偏差可控。將該模式應用于深部復雜水文地質條件的煤礦頂板防治水技術與管理,實現了煤礦水害防治技術與生產管理的協同創新,保障了煤礦安全高效開采,為深部復雜水文地質條件煤層開采頂板防治水技術與管理提供借鑒。
八位一體;閉環;管控模式;煤礦水害;鄂爾多斯盆地
我國煤炭資源豐富,是我國基礎性能源的重要組成部分,在一次性能源結構中占 60%左右,在未來幾十年內,煤炭作為我國主體能源的地位不會改變。然而,煤礦突水一直制約著煤炭安全高效開采,2020年,全國煤礦共發生水害死亡事故7起、死亡25人,同比增加4起、15人,分別占全國煤礦事故起數和死亡人數的5.7%和11.1%[1]。隨著煤礦開采深度的逐步增加,水文地質條件越來越復雜,煤礦水害危險性增大,對防治水工作提出了更高的要求。
長期以來,煤炭科技工作者開展大量的煤礦水害防治技術研究與工程實踐,取得了豐碩的科研成果。在水文地質條件探查方面,董書寧等[2-3]研究了煤炭智能開采的地質保障技術及鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田典型頂板水害防控技術,將智能開采地質保障技術分為高精度綜合探測、一體化智能在線監測、工作面地質透明化三大關鍵技術;虎維岳[4]研究了深部煤炭開采地質安全保障技術及研究方向,金學良等[5]、陳香菱[6]研究了煤田地質勘探關鍵技術與應用。在煤礦水害預測方面,武強等[7-9]提出了煤層頂板涌(突)水危險性評價的“三圖—雙預測”方法,成功應用于我國多個煤礦。在頂板水疏排方面,靳德武等[10]在榆神礦區淺埋煤層提出了減水開采中預疏放水標準的確定方法;楊建等[11]研究了蒙陜深埋煤層頂板水疏放標準;李永濤等[12]、趙寶峰等[13]、呂兆海等[14]研究了頂板疏放水與工作面涌水規律,評價了含水層的疏放性;王厚柱等[15]研究了深部開采礦井水害區域治理關鍵技術,提出了以工作面外巷鉆孔導流、鄰面鉆孔截流、雙側采空區截流和長距離定向鉆孔追蹤探放水為核心的巨厚頂板砂巖含水層區域治理技術。而煤礦水害管理方面的成果主要圍繞2018年國家煤礦安全監察局發布的《煤礦防治水細則》展開,是目前煤礦水害防治的規范性文件,河北省針對本省水文地質條件,于2016年出臺了《煤礦防治水管理辦法》,煤礦防治水管理主要指出不同的水害類型對應的防治技術、制度、保障措施等。張瑯[16]、王鵬娟[17]研究了煤礦水害防治管理體系的建立,從防治水管理機構建立、防治水管理制度制定、資金支持、人才配備等方面進行了闡述;牟林等[18]為滿足大水礦區對防治水技術與統籌管理方法創新的迫切需求,提出了生產企業與科研院所優勢互補的“產研”合作模式;梁慶華等[19]提出礦井防治水2個“四位一體”技術體系模式,即區域防治水是基礎、局部防治水是重點、先探后采是原則、應急救援是保障。針對煤礦單一水害問題的防治先進技術發展較快,但尚未與生產管理緊密結合,缺乏系統、全面的管理體系,從而影響了煤礦生產各階段的煤礦防治水技術銜接、反饋與優化,阻礙了防治水技術進一步快速發展的步伐,減弱了煤礦防治水成效,加之深部礦井水文地質情況復雜,煤礦防治水任務更加艱巨。
基于此,筆者運用系統工程與閉環式管理理論體系,提出“八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式,并應用于深部礦井頂板水害防治,以期為礦井安全高效開采提供保障,助力煤礦企業高質量發展。
我國煤礦防治水技術管理方面成績顯著,主要表現在以下幾個方面:
(1) 防治水先進技術推廣應用更快,河北等地推廣地面定向鉆進技術,對灰巖含水層進行區域性、超前性徹底改造;河北冀中能源集團率先實施地面區域超前治理,單個定向水平鉆孔最大鉆進距離由800 m提高至1 100 m,研制的礦井突水微震監測預警系統,處于國內領先水平。
(2) 防治水理念轉變得更先進,從過程治理向超前預防、局部治理向區域治理、井下治理向井上下治理轉變。河北、陜西等地提出“超前預防、區域治理” “井上下治理相結合”;貴州堅持“物探先行、鉆探跟進、探掘分離、不探不進”;山西、四川、吉林、新疆生產建設兵團實行“逢掘必探”,對掘進工作面實現全方位、立體式探查;江西、江蘇推行井上下物探、鉆探相結合的綜合探查措施,采用多種手段相互驗證;冀中能源集團提出“超前主動、區域治理、全面改造、達標開采”;山東肥城礦業集團實行水害探查“精細化”、奧灰治理“源頭化”、減擾開采“常態化”、雙液注漿“領先化”、帷幕截流“規模化”、治理措施“多元化”,這些新理念新方法推動了水害防治工作深入開展。
(3) 防治水政策支持力度更大。山東、湖北先行關閉水害威脅嚴重、無經濟效益的煤礦,從源頭上根除水患威脅。河北開灤范各莊礦實施防治水“三優先、兩否決”,“三優先”即公司會議優先討論防治水事宜、生產計劃優先考慮防治水工作、井下優先安排防治水工程;“兩否決”即未安排防治水工作的生產計劃一票否決,未落實防治水措施的工作一票否決,確保防治水措施落地落實。
(4)防治水地質保障工作更扎實,各地不斷加強水害致災因素普查、科技支撐研究等基礎工作。2016年以來,四川省財政安排1 465萬元,市、縣財政配套3 000多萬元,企業投入8 000多萬元,集中開展煤礦水害普查治理;黑龍江龍煤集團在經營困難情況下,投入1億多元,施工3萬多米水文地質鉆孔,完成15個勘探報告;安徽皖北煤電集團發揮“國家煤礦水害防治工程技術研究中心”作用,建立和完善底板承壓水、頂板水等水害防治成套技術體系,連續16 a杜絕水害事故。
煤礦防治水技術、管理理念先進,但鮮有將防治水技術與管理統籌,全面、系統、循環管控煤礦防治水各個階段。隨著煤炭資源開采逐漸向深部過渡,煤礦防治水壓力更大,因此,有必要開展水害防治技術與管理的協同創新研究,探索煤礦水害防治新路徑,指導煤礦安全高效開采。
目前,在實際應用過程中,傳統設計工作模式容易使很多建設中的重點、難點問題在項目建設初期發現不了、解決不了,直到項目建設期間或投產后逐步暴露再研究解決,在這過程中勢必會造成項目管理成本增加、工期延后、投資超額、項目質量缺陷等問題。如某礦區煤礦建設項目由于初期地質資料不準確、水害防治及沖擊地壓研究不充分,導致千萬噸級礦井未能按照沖擊地壓和水文地質復雜礦井設計,造成開拓開采系統設計不合理、安全設施設計不到位,礦井投產后追加改造及安全費用達數十億元。
本文提出的“八位一體”閉環式煤礦水害管控模式旨在從防治水工作的源頭——水文地質條件探查開始,逐步深入研究水害危險性,實施防治水工程,不斷檢驗、評價、調整防治水工作的每個階段,以期避免防治水工作重復、無效開展,提升煤礦防治水技術與管理的整體水平,加快煤礦防治水工作邁上新臺階,在保障煤礦安全生產的前提下,實現降本增效,并在類似條件礦井進行推廣應用。
常規的防治水工程技術管理工作未形成閉環指導,各階段防治水工作不能有效整合,防治水工作的組織、統籌、協調和規劃不能進行合理配置及對現有資源的有效利用。“八位一體”閉環式防治水工程技術管理體系,有效整合各項技術管理工作,包括立體探查、預測預報、追蹤探放、分段疏降、采前評價、階梯排水、監測預警、總結優化等8方面,通過比較每一階段成果與水害治理效果之間的偏差,不斷調整水害防治過程,根據水害治理效果反饋至水害預測,調整預測方法,形成從水害治理效果到過程每個階段的反饋通路,組成一個水害防治閉合回路,各項工作相輔相成、互相驗證,有效提高防治水工程技術水平,確保礦井安全高效生產(圖1)。

圖1 “八位一體”閉環式頂板水害管控策略
地質保障工作是煤礦安全生產的前提,隨著地質勘探技術的不斷發展,三維高精度探測技術普遍應用,地球物理勘探、鉆探、化探等多手段的聯合,為井上下立體探查,空間透明地質體的實現奠定了良好的基礎。井田勘探階段、煤礦生產階段逐步將煤炭資源開采區的地質、水文地質條件查清,通過采前探查、生產揭露,不斷修正、完善、明晰地質體,從未知到已知,從黑體到灰體到透明體,為準確指導水害預測預報工作提供依據。
預測預報是在做好常規的地質預報及水情水害預報的基礎上,結合井下探查結果及現場測量成果,不斷修正,采用先進的水害預測理論更準確地指導超前探查設計、疏放水設計、掘進、回采等工程作業。對高效開展井下防治水工程具有十分重要的作用,同時通過現場揭露不斷驗證預測預報結果的準確程度,對預測出現的偏差進行分析,總結經驗,優化預測方法,提高預測預報水平。
探放水作為煤礦防治水的一項重要工作,近年來在施工工藝、設備升級等多方面已經取得了多項進展,深部侏羅系礦井主要的水害為頂板砂巖水,其特點是砂巖含水層厚度大、富水性強并且承壓,在掘進過程中會遇到頂板滴水、淋水的現象,雖不能造成災害,但是對生產作業有一定的影響,為消除這一影響,提出了追蹤探放技術,引進千米鉆機施工定向鉆孔,根據預測預報結果,在掘進區域頂板直接充水含水層底部施工超前探放水工程,不但可查明前方的地質及構造發育情況,又可對掘進前方的直接充水頂板水進行疏放。
在煤礦回采工作面進行采前頂板砂巖水疏放可有效降低工作面回采時的涌水量,減少排水壓力,同時有助于煤質水分的降低,但隨著對頂板含水層分布規律及富水性的分析,認為頂板水分為2部分,即靜態儲量和動態儲量,提前將靜態儲量疏放一部分,降低了含水層的水頭壓力,釋放一定量的積水,則回采過程中因頂板導水裂隙帶導通含水層造成的工作面涌水壓力可得到緩解。但疏放水效果和排水費用受疏放時間及受回采影響的不同區段影響,所以要根據涌水量的科學預測進行疏放設計,同時要根據含水層的水文地質參數計算水位恢復的時間段,確定提前疏放的時間,這樣既可以起到降低工作面涌水量的作用,又可以分步實施,減輕排水系統壓力,達到安全和經濟的平衡。
采前評價是防治水工作的關鍵環節,回采前已做了大量準備工作,但能否有效控制水害風險,消除水害隱患需要一個科學的評價體系,需要從不同類型水害出發,根據地質資料分析判斷是否存在隱蔽致災地質因素,是否需要采取相應的措施。重點評價疏放水效果是否達到要求的量化指標,同時根據涌水量預測評價排水系統是否滿足要求,提出合理的防治水工作建議,確保工作面回采不受水害威脅。
根據不同區段工作面預測涌水量的大小來布設工作面排水系統,以實現階梯排水。隨著工作面的回采,采動影響范圍逐漸增大,需要精準預測礦井涌水量,掌握其動態變化規律,優化排水系統,例如,合理配比排水設施,達到降本增效的目的,在階梯排水系統設置的同時,實現清水、污水分流排放。
隨著礦井水害監測預警技術的發展,井上下水情自動實時監測系統集水文數據采集、數據網絡共享、數據處理、水害預警、輔助決策于一體[20-22],同時在對地下水的監測過程當中應用現代化的監測手段,可以實時掌握水文地質動態,并能及時做出正確處理。系統實現信息收集處理自動化的全過程,進而能及時發現安全隱患。
總結優化環節主要是針對采后總結,是非常重要的管理環節,在開采過程中遇到的技術問題、呈現的優秀管理方法,要進行積極總結分析評價,一方面可指導礦井后續相似工作面的防治水工作,另一方面可指導下一步的預測預報、探放水工作,使防治水技術管理形成閉環。
在鄂爾多斯盆地某礦井深部煤層開采中應用“八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式,具體工作流程如下。
1) 采用井上下鉆探、物探聯合手段精細探查水文地質條件
地質勘探階段施工地面探煤孔、水文孔查清煤層及其頂板含、隔水層分布與主要特征,開展地面三維地震勘探、可控源音頻大地電磁測深、瞬變電磁勘探等,探查三維空間地下地質構造情況及巖性,研究同一時間段或同一巖層的屬性特征,查明主要含水層在平面上的展布規律及屬性特征。研究區主要為侏羅系陸相沉積,直接充水含水層延安組及直羅組主要為三角洲沉積體系與河流沉積體系,由于河流滯留沉積作用和心灘沉積作用導致巖性的差異,即物性和巖層反射波的振幅能量、頻率方面存在較大差異,從而確定了古河道中心位置,這是布設疏放水鉆孔的重點區域。煤炭資源回采前在井下開展直流電法、音頻電透視、鉆探等,進一步查明工作面頂板富水異常區。
以納林河二號礦31121工作面為例,通過綜合探查與沉積特征確定工作面平面上疏放水的重點范圍(圖2)。根據煤層頂板砂體分布情況(含隔水層空間分布)與導水裂隙帶發育高度等資料,分析確定出工作面垂向上疏放的重點區段及層段,即可根據平面范圍及垂向上的疏放層段布置疏放水鉆孔。
2) 基于沉積控水預測頂板水害危險性
不同的沉積相作用導致巖性具有差異,不同巖性巖層富水性也不同,煤層頂板含水層富水性與沉積相關系密切。在研究煤層頂板含水層富水性與導水裂隙帶發育規律的基礎上,選擇影響煤層頂板水害的主控因素,選擇母杜柴登礦建立頂板水害危險性評價體系(圖3),采用層次分析法計算各主控因素權重,運用GIS多源信息疊加的方法完成頂板水害危險性分區評價(圖4),指導后續探放水工作。

圖2 31121工作面富水異常分布

圖3 頂板水害危險性評價指標體系

將本次預測結果與頂板疏放水鉆孔終孔水量(圖5a)進行對比可知,工作面切眼附近、700~ 800 m及2 300~3 300 m區域,鉆孔終孔水量較大,其他區域鉆孔水量相對較小;由工作面涌水量隨進尺的變化情況(圖5b)可知,工作面涌水量整體上隨著回采進尺的增加而逐漸增加,當工作面回采至700~ 800 m與2 300~2 800 m時,曲線斜率顯著增加,工作面涌水量顯著增大,說明這2個區域礦井水害威脅較大。本次評價結果與實際涌水量情況較為吻合,因此,該方法在研究區進行煤礦頂板水害危險性評價可行,評價結果可靠。

圖5 頂板水害危險性預測結果驗證
3) 運用長距離定向鉆進技術追蹤探放頂板水
針對頂板含水層富水性綜合探查與水害預測成果,運用長距離定向鉆進技術[23](圖6),在母杜柴登礦掘進工作面煤層頂板富水性強的含水區域開展疏放水工程,形成“先治后掘、分區設計、靶向追蹤、精細探放”的探放水技術思路,精準完成了頂板水探放,有效解決礦井掘進進度與井下超前探放水之間的時間沖突,使鉆探作業可與掘進同步進行,極大地提升了掘進效率。采用千米鉆機施工探放水鉆孔時,在主孔內通常會開分支孔,由于分支匯流至主孔,水流速度較高,流量較大,提高了探水孔內的放水效率。同時,由于鉆場減少,使排水點更集中,便于將探放水孔內的水排出工作面。經定向鉆孔疏放頂板水,巷道掘進過程中,頂板滴淋水現象明顯減少,掘進頭未出現突水現象,保障了煤礦安全掘進,累計施工定向鉆孔進尺10 590 m,單孔最大出水量為220 m3/h,為煤礦節省支出9 319 200元,工作面的形成提前了超過102 d。
4) 頂板水區域分段疏降
在母杜柴登礦頂板富水區單側來水的采區,從礦井水區域治理角度,優化調整工作面回采接續,優先布置來水方向工作面作為采區首采工作面,利用首采工作面采空區作為疏水廊道,從而大幅度減少后續工作面采空區涌水量,實現頂板水集中疏排和區域治理(圖7),將大幅度減少回采工作面采空區、采掘面前及落地污水量,實現采區礦井水的區域治理。
通過區域采掘布局優化調整采掘工作面,能有效截流已采工作面頂板水,保障回采工作面安全開采。工作面回采前需開展頂板水分段疏放工程,在系統研究頂板富水性的基礎上,按照邊施工、邊探查、邊放水試驗、邊優化設計的思路開展各項研究工作。對頂板疏放水鉆孔的施工數量、傾角、方位角、深度等進行優化。

圖7 單側截流接續模式剖面圖
經頂板疏放水試驗,優化疏放鉆孔:原鉆孔設計150 m,傾角45°,垂高106 m,已揭露全部含水層,保留原設計鉆孔深度,重點優化鉆孔布設數量,即由原來每個鉆場設計4~6個鉆孔調整為2~3個,原設計共布置321個鉆孔,優化后實際施工186個鉆孔;頂板含水層累計疏放水量約143萬m3,其中,工作面里段650 m范圍內已疏放水量達41萬m3,包括動儲量疏放量11.1萬m3,靜儲量疏放量為29.9萬m3,已超過預計的靜儲量29.7萬m,說明該段范圍內頂板水靜儲量已基本得到疏放。為驗證工作面頂板水疏降效果,礦方在切眼附近的回風巷和輔運巷分別施工一個探查鉆孔,施工結果表明,涌水量與水壓均達到穩定狀態。
5) 回采前頂板疏放水效果評價
經頂板疏放水工程,總結、制定疏放水標準:
(1)鉆孔總出水量、水壓保持穩定,變化幅度不高于2%;鉆孔穩定總出水量與本段動態涌水量相差小于10%(72 h);
(2) 分段疏放水總量–(本段計算動態涌水量×疏放水時間)=本段靜儲量疏放量,靜儲量疏放量與計算靜儲量相差小于10%;
(3) 根據條件相近礦井的經驗預估分段疏放水時間,約2~3個月,具體所需時間根據放水試驗確定。
6) 利用階梯排水優化排水系統
研究區礦井工作面充水水源主要為頂板砂巖水,無突水威脅,根據預測結果呈分段遞增趨勢,為保證工作面涌水能及時排出的同時,還要考慮排水系統布設的經濟性,設計了階梯式排水系統,具體如下。
(1) 階梯位置的選擇:根據動靜態涌水量預測技術和首采工作面涌水量變化規律,總結出涌水量變化較大的位置,同時結合頂板砂巖水降落漏斗的技術參數,確定涌水量增加較大的位置,在相應位置附近根據巷道剖面選擇相對低洼點修建臨時水倉,并在該位置增加排水管路,這樣既保障工作面的排水能力,同時改變全巷道布設管路的傳統方式,大量減少材料、人工、維護費用,并提高排水系統的穩定性。
(2) 排水能力梯度的設置:排水能力梯度一方面要考慮階梯位置管路的布置,同時要根據預測的涌水量設置科學合理的排水泵,并配置備用泵,同時配套使用雙回路專用供電電源。工作面由內到外根據預測涌水量情況逐步提高排水能力,保障整個工作面排水系統安全可靠。
7) 地下水實時動態監測
煤礦地下水動態監測數據可為煤礦水害危險性預測、礦井排水系統優化、頂板水疏降等提供依據,因此,研究區長期實時動態監測延安組三段和直羅組一段主要充水含水層水位、水溫、水質、水壓等信息,對保障煤礦安全至關重要。
8) 適合的防治水管控體系的建立
根據頂板防治水效果,不斷調整前述條件探查方法、水害危險性預測方法及影響指標、頂板探放設計、排水系統優化等,指導礦井防治水工作順利開展,形成適合研究區的頂板水害閉環管控體系。
a.針對煤礦防治水技術與生產管理融合度低、制約礦井防治水工作的高效開展這一問題,提出了“八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式,將生產管理融于防治水工作各個環節,實現防治水工作全過程閉環管控,對科學、高效開展煤礦防治水工作意義重大。
b. 采用千米定向鉆進技術追蹤探放厚砂巖、強富水、高承壓區域頂板水,實現頂板水高效疏放,利用分段疏降、階梯排水將清水、污水分流排放,緩解礦井排水壓力,減少污水處理費用。
c.將“八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式成功應用于鄂爾多斯盆地某礦深部煤層開采頂板水害防治工作,保障了煤礦安全高效生產,該模式可推廣至條件類似煤炭開采區頂板水害防治。
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Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines
LIU Qingbao1, DING Xiang2, FENG Jie2, ZHANG Kun2
(1. China Coal Xi’an Design Engineering Co., Ltd., Xi’an 710054,China; 2. China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Xi’an710054, China)
The prevention and control of coal mine water disaster is one of the key points of mine safety control, but the lack of comprehensive, systemetic, controllable technology management restricts the safe and efficient mining of coal resources. To guide the prevention and control of coal mine water disaster in a scientific and effective approach, taking the water disaster of coal mine roof as an example, using the theoretical system of system engineering and closed-loop management, this paper proposes a closed-loop management and control mode of roof water disasters, including stereoscopic probe, prediction, tracking exploration and discharge, subsection drainage, pre-mining evaluation, step drainage, monitoring and early warning, summary and optimization. The mode covers the management and control of the whole process of hydrogeological condition exploration, water disaster prediction, roof water drainage, as well as water disaster monitoring and early-warning, and forms a feedback path from the water disaster control effect to each stage of the water disaster prevention and control process. That means a closed loop of water disaster prevention and control was formed, which ensures that the water prevention and control work has scientific basis and can be regulated. This mode can be applied to roof water management and control under deep and complicated hydrogeological conditions, realizing the collaborative innovation of water control technology and management philosophy. It ensures the safe and efficient coal mining and provides reference for the roof water disaster management and control of coal mining under deep and complicated hydrogeological conditions.
eight in one; closed-loop; management and control mode; water disaster; Ordos Basin
TD745
A
1001-1986(2021)04-0170-08
2021-04-20;
2021-06-11
陜西省青年科技新星項目(2021KJXX-82)
劉清寶,1968年生,男,山東乳山人,教授級高級工程師,從事煤礦開采及安全技術方面的設計與研究工作. E-mail:1059246803@ qq.com

劉清寶,丁湘,馮潔,等. “八位一體”閉環式煤礦頂板水害管控模式的構建與應用[J]. 煤田地質與勘探,2021,49(4):170–177. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020
LIU Qingbao,DING Xiang,FENG Jie,et al.Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(4):170–177.doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020
(責任編輯 周建軍 范章群)