煤礦井下排水防治與技術(shù)探討

翟封

摘 要：隨著煤礦不斷的向深層處發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害變得更為復(fù)雜，其中水災(zāi)害最為常見。本文對礦井下的地下水的產(chǎn)生及其特點進(jìn)行分析，并介紹了幾種常見的地下水防治方式，最后結(jié)合趙官煤礦某一井田進(jìn)行了專門分析，結(jié)果表明采用突水預(yù)測技術(shù)能夠取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：地下煤礦；井水作業(yè)；排水防治；水害防治

1 引言

隨著煤礦的不斷開采，當(dāng)煤礦進(jìn)行到幾百米甚至上千米的深部地下時[1]，其巖體長期在高應(yīng)力、高溫高壓及強(qiáng)滲透作用下，其巖土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的變化，主要表現(xiàn)為巖體軟化和非線性發(fā)展，碎脹以及擴(kuò)容現(xiàn)象，地下水增多。這些自然地質(zhì)災(zāi)害都嚴(yán)重的威脅著煤礦的安全生產(chǎn)運(yùn)行。在這些復(fù)雜因素中，其最為重要的就是地下水的處理，特別是在一些地下水豐富的地區(qū)，井下排水工作顯得更加迫在眉睫。因此需要不斷地總結(jié)工程經(jīng)驗，找到水災(zāi)發(fā)生的自然規(guī)律，最大限度的消除地下水對礦井的影響。雖然傳統(tǒng)的防水治水措施的研究很多，但都是基于頂板和底板的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)狀況。對于含有特殊含水層的地質(zhì)災(zāi)害下的防治研究甚少，也沒有形成專門的防治系統(tǒng)。本文通過結(jié)合地下水的災(zāi)害分析和新技術(shù)對煤礦排水技術(shù)進(jìn)行探討。

2 井下水害形成及特點分析

井下水來源兇猛，俗稱水老虎。其形成原因復(fù)雜，很難進(jìn)行全面的認(rèn)識，工程中常見的水害形成有如下幾種[2]：

2.1礦壓破壞帶引發(fā)的水質(zhì)災(zāi)害。其主要成因是在煤層底部在開采過程中，容易造成其中的導(dǎo)水帶破壞，因而那些因開采造成錯動的巖土失去了止水功能，最終導(dǎo)致滲流破壞，使得較小的裂縫最終發(fā)展成較大的斷裂帶，甚至形成特定的導(dǎo)水通道，因而導(dǎo)致了突水事故發(fā)生。

2.2不良施工引發(fā)的水害。在煤礦進(jìn)行地下生產(chǎn)時，通常采用鉆孔法進(jìn)行施工，容易留下點狀的垂直導(dǎo)水通道。這類導(dǎo)水通道隱蔽性強(qiáng)，垂直導(dǎo)水時滲透速率快，因此很容易造成大的滲透破壞。其主要原因為不同層位之間發(fā)生水力關(guān)聯(lián)，當(dāng)采礦過程接近鉆孔的時，造成突發(fā)性水害，危害性大。這種地下水害一旦發(fā)生，就會造成較大的水頭壓力，并且通道內(nèi)補(bǔ)水十分迅速，對水害的防治和搶救帶來巨大的壓力。

2.3老空區(qū)水害。在煤礦的不斷掘進(jìn)中，存在著很多以前的老空區(qū)，這些老空區(qū)的存在是地下水防治的又一難題。由于在開采過程中，我們只關(guān)注煤炭的開采，卻忽視了開采后的處理，造成很多老窯區(qū)存在著大量積水。這些水主要存在于含水層、充水?dāng)鄬雍土芽p中，導(dǎo)致這些本就有地質(zhì)缺陷的土體變得更為脆弱。一旦開挖后對其進(jìn)行擾動，將會造成嚴(yán)重的地下水害。對于這種水害必須在開挖過程中加強(qiáng)對地質(zhì)災(zāi)害的勘測，認(rèn)清礦井的積水線、探水線以及警戒線部分。

3 常見地下水治理方法

煤礦的地下排水方式眾多，從地下室的來源分可以分為外因法和內(nèi)因法。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)[3]，主要有如下幾種方法：

3.1疏干降壓法

疏干降壓是一種十分傳統(tǒng)的排水方式，即通過人工進(jìn)行排水?？梢杂行У慕档秃畬铀慌c水壓，減少巷道的涌水量，防止井下突水的作業(yè)。其具體操作措施為：先確定煤層底板薄弱層，然后半定性定量的確定疏放的最佳位置，最后確定放水方法以及放水量。

3.2堵水截流法

此方法即通過調(diào)查來水的位置、埋深以及水的流向和有無支流等，然后通過截流的方法對地下水進(jìn)行處理，能有效的阻止水量涌入巷道。具有一次性施工成功率高，對環(huán)境和地表影響小、堵水完畢后易于拆除等優(yōu)點，適應(yīng)于地下來水分明且有時間規(guī)律性的治理。

3.3突水預(yù)測技術(shù)

突水預(yù)測技術(shù)是一種相對新穎的方法，它是采用突水系數(shù)（單位隔水層厚度所能承受的水壓值）的臨界值來確定各處孔壓的大小。進(jìn)而通過引入主成分分析法對底板突水影響因素進(jìn)行定量評價，預(yù)測出底板發(fā)生突水的危險性，進(jìn)而進(jìn)行排水防治。

3.4水文地質(zhì)探查法

水文地質(zhì)法即通過收集和測量煤礦地區(qū)的自然地理、地貌和水文地質(zhì)資料等，然后進(jìn)行測繪點的規(guī)劃。然后根據(jù)水源分布情況，結(jié)合巖層地下水等信息，從主要含水層向排水渠進(jìn)行補(bǔ)給，補(bǔ)給區(qū)向排水區(qū)布置。該方法具有操作簡單，治水效果好且節(jié)約材料等特點。

4具體案例分析

趙官煤礦位于山東省西北部，隸屬齊河縣[4]。本文以西南方向的某一井田進(jìn)行分析，礦區(qū)所在地為一東北走向，西北傾向的單斜構(gòu)造，平均地層傾角為5～8°，少部分地段的傾角大于10°，具體的水文地質(zhì)和土體構(gòu)造如圖1、2所示。

井田內(nèi)富含有厚層隔水層，導(dǎo)致含水層和斷裂帶都缺乏天然的補(bǔ)給和排泄途徑，造成礦井深部的地下水不流暢。通過地質(zhì)探測表明，含水層的水源往深部流暢，并且不斷變?nèi)酰峭缓畬又g存在著水力聯(lián)系，并且不斷的從淺水區(qū)向深部擴(kuò)展。由此可見，含水層的飽和水率和隔水帶的厚度和組合系數(shù)，宜采用突水系數(shù)預(yù)測法對其進(jìn)行分析。

經(jīng)過多年水位觀察資料可知，從2009年2月至2010年7月徐灰水位穩(wěn)定在29.32～31m之間，而奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層水位則維持29.6～31.4m之間?？梢娺@兩種水位相差不大，且總體來說隨著深度的增加而增大。且井田內(nèi)平均水壓為5Mpa，52.3～8.7MPa之間，且隨著埋深的增加，水壓增強(qiáng)。但在南部地區(qū)水壓增加較小，而在北部區(qū)域則水壓增長很快，從而造成了深層水壓的等值線不平衡。通過統(tǒng)計得到底板滲流量和工作面的關(guān)系如表1所示。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》推薦的突水系數(shù)公式計算各采煤層底板最大突水系數(shù)為：

式中：Ts——底板突水系數(shù)（Mpa/m） P——隔水層承受的水壓（Mpa）

M——底板隔水層厚度（m）

經(jīng)過計算，其中8-5，12-5，4-7，28-6，28-7等高于7Mpa，其余編號下的水壓在4～7Mpa之間。因此需要對底板的突水災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行預(yù)測。底板突水危險性預(yù)測公式如下：

式中m、n、e、f分別為斷層標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，水壓標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，隔水層標(biāo)準(zhǔn)化，富水系數(shù)。

通過計算后發(fā)現(xiàn)8-1，8-2，8-4和補(bǔ)充號1、2中的突水系數(shù)高達(dá)0.9，其底板突水發(fā)生可能性很高，需要對這幾個區(qū)域的加以排水，疏水處理。降低底板的水壓，預(yù)先減少地下水災(zāi)害發(fā)生的概率。

5 結(jié)語

地下水對煤礦井下最常見的自然災(zāi)害，對煤礦的安全生產(chǎn)危害十分重大。隨著我國煤礦的不斷深入挖掘，地下水一直威脅著煤礦的發(fā)展。煤炭作為中國最主要的能源之一，因此必須采取相應(yīng)的措施來保證地下礦井的安全生產(chǎn)和提高煤礦產(chǎn)煤的效率，杜絕重大安全事故的發(fā)生是每個煤炭工作者義不容辭的責(zé)任。因此在進(jìn)行煤礦設(shè)計時，不僅要進(jìn)行安全生產(chǎn)措施設(shè)計，更應(yīng)該不斷地引進(jìn)排水新技術(shù)，從技術(shù)上對減小威脅源，只有這樣才能促進(jìn)我國煤礦生產(chǎn)工作的順利進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯朝炯.深部巷道圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，（5）.

[2]朱南京，李百宜等.煤層為主含水層礦井水害防治技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)，2017，（5）：83～87

[3]周國有.煤礦井下防治水技術(shù)與施工實踐，[J].企業(yè)導(dǎo)報，2013，（4）：189～191

[4]李娜娜.趙官煤礦下組煤底板突水預(yù)測及防治技術(shù)研究[D].山東科技大學(xué)，2011