礦井綜合防治水技術(shù)研究綜述

劉京強(qiáng)， 崔玉朝

(1.貴州魯中礦業(yè)有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽(yáng) 550000； 2.貴州煜滕煤炭行業(yè)大數(shù)據(jù)信息中心有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 前言

在我國(guó)礦山井下生產(chǎn)過(guò)程中，水害一直是影響井下工作面災(zāi)害之一[1-3]，相關(guān)資料表明，我國(guó)受水害影響的礦井區(qū)域較多，因此研究礦井綜合防治水技術(shù)對(duì)于我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義[4-5]。本文根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)情況提出采用多種礦井水害綜合防治技術(shù)，為解決井下水災(zāi)問(wèn)題提供了指導(dǎo)。

2 采動(dòng)礦壓對(duì)的巖層破壞

2.1 采場(chǎng)周圍應(yīng)力分布

在工作面的開(kāi)采過(guò)程中，原巖應(yīng)力重新分布，采場(chǎng)周圍巖體由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)承重巖層為采空區(qū)上覆巖層，其承受上部巖層應(yīng)力，并將其傳遞到工作面兩側(cè)及前后方巖體上，在采空區(qū)下部形成卸壓區(qū)，而周圍煤壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，具體如圖1所示。工作面前方、煤壁兩側(cè)、采空區(qū)冒落矸石的豎向支承壓力，分別為前支承壓力、側(cè)支承壓力、后支承壓力。由于采空區(qū)的卸壓及采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力集中，使底板巖層處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)中，易發(fā)生斷裂和破壞。

2.2 底板巖層破壞區(qū)分布

底板是較易發(fā)生突水的位置之一，工作面周圍巖體應(yīng)力集中，對(duì)底板的壓力增大，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)底板巖體所能承受的極限應(yīng)力時(shí)，底板將發(fā)生破壞，原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，并產(chǎn)生新的裂隙，而在采空區(qū)的底板由于卸壓的影響，可能會(huì)發(fā)生底鼓，造成采空區(qū)底板的破壞和裂隙發(fā)展。因此，在采場(chǎng)周圍底板巖層產(chǎn)生剪切破壞，具體如圖2所示，隨著工作面的推進(jìn)，頂板便會(huì)經(jīng)歷基本頂來(lái)壓、頂板冒落，同時(shí)周圍巖體和底板發(fā)生變形，這一過(guò)程具有周期性，且在頂板來(lái)壓時(shí)易發(fā)生突水事故。

圖1 采場(chǎng)支撐壓力示意圖

圖2 工作面底板巖層破壞示意圖

3 礦井水害綜合防治措施

為保證井下作業(yè)人員以及設(shè)備的安全，減小突水、涌水事故發(fā)生的概率和造成的危害，煤礦井下應(yīng)采取綜合防治水措施，綜合防治水具有準(zhǔn)確性高、治理效果好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)各大礦區(qū)尤其是水害較為嚴(yán)重的礦區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，綜合防治水要堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的基本原則，綜合防治水的具體措施，可需根據(jù)礦井的實(shí)際地質(zhì)條件來(lái)選擇，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和防治水效果。

3.1 礦井水害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

在充分掌握礦井水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，在開(kāi)采過(guò)程中也需對(duì)可能突水的構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)，尤其在可能遇到斷層破碎帶、采空區(qū)積水等不良地質(zhì)條件下，更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含水部位的預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法主要采用鉆孔探放水，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些新的探水方法也被應(yīng)用于礦井中，比如放射性測(cè)量、物探方法等。若要確保鉆探的準(zhǔn)確性，可采用鉆孔探放水、放射性測(cè)量、物探相結(jié)合的綜合探水措施，進(jìn)行綜合探放水后，應(yīng)在水文地質(zhì)圖上標(biāo)出之前沒(méi)有預(yù)測(cè)到的含水部位，不同段塊的富水程度分布圖劃分出突水安全區(qū)和突水危險(xiǎn)區(qū)，為井下采掘防治水提供詳細(xì)的技術(shù)資料。

3.2 綜合治理措施

1)地表防治水

地表降水是井下充水的重要來(lái)源之一，因此有必要進(jìn)行地表防治水，減少礦井充水源頭，從而減小礦井涌水量和突水危險(xiǎn)性，地表防治水的主要措施有以下幾點(diǎn)。

(1)選擇合理的井筒位置，一般來(lái)說(shuō)井筒的位置應(yīng)處于地面標(biāo)高較高的地方，來(lái)防止地表水涌入井筒造成大范圍的淹井事故。因此在礦井設(shè)計(jì)之初，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮臈l件、氣象條件等確定井口標(biāo)高，其布置原則為井口標(biāo)高應(yīng)高于當(dāng)?shù)貧v年最大洪水水位高度，如果地形條件有限，或?yàn)楣?jié)約經(jīng)濟(jì)成本，井口標(biāo)高低于當(dāng)?shù)貧v年最大洪水水位時(shí)，應(yīng)采取修筑隔水、擋水構(gòu)筑物等措施。

(2)修筑導(dǎo)水溝：當(dāng)?shù)V井處于山區(qū)地質(zhì)條件時(shí)，受山洪影響可能造成洪水進(jìn)入井筒，或者地表水隨圍巖體裂隙滲入工作面，此時(shí)可在地表修筑排水溝，將地表水排至影響范圍之外。

(3)在綜放開(kāi)采等采高較大的礦井，井下煤體開(kāi)采后圍巖應(yīng)力大造成裂隙規(guī)模發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)影響地表，在地表形成裂隙，這些裂隙便形成地表水的涌水通道。對(duì)于此類裂隙可采用圍巖體注漿的方法將其封堵，對(duì)于規(guī)模較大的裂隙甚至形成的塌陷區(qū)可采取充填碎石、覆蓋黏土后夯實(shí)的措施，來(lái)防止地表水的進(jìn)入。

(4)河流改道：若礦區(qū)范圍內(nèi)的河流嚴(yán)重影響礦井開(kāi)采安全，可能造成突水淹井等事故時(shí)，可在礦區(qū)上游的河流選擇合適的地點(diǎn)，修筑堤壩阻止河流流入井田范圍，并用導(dǎo)水渠將水引出井田區(qū)域，若地形限制，河流不能改道，可采用截彎取直的方法，減小河流流經(jīng)礦區(qū)的長(zhǎng)度，從而減小井下涌水量。

2)井下防水

當(dāng)井下圍巖體中存在天然含水層，斷層破碎帶含水層以及受開(kāi)采活動(dòng)影響而形成的采空區(qū)積水，含水水源轉(zhuǎn)移至井下工作面范圍內(nèi)，應(yīng)采取井下防治水措施來(lái)保證工作面的安全開(kāi)采，井下防治水具有防治效果好、成本低等優(yōu)勢(shì)，其主要技術(shù)措施主要有以下幾方面。

(1)超前探放水。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和鉆探勘測(cè)的有限性，導(dǎo)致某些水文地質(zhì)條件不可能完全查清楚，因此當(dāng)采掘活動(dòng)遇到采空區(qū)積水、斷層破碎帶含水層、位置含水量不確定的含水部位時(shí)，應(yīng)采取超前探放水措施來(lái)查明工作面水情，且布置參數(shù)合理的探放水鉆孔，將含水層的水有序放出后，再進(jìn)行生產(chǎn)工作，礦井探放水示意圖如圖3所示。

圖3 底板防水鉆孔

(2)預(yù)留防水煤柱。井下工作面受水害威脅較大時(shí)，可在含水層與開(kāi)采工作面之間留設(shè)一定范圍的煤柱，防水煤柱留設(shè)的位置和具體尺寸應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件來(lái)確定，在保證安全防水距離的前提下，盡可能的減小煤柱尺寸，以提高回采率。斷層帶含水層留設(shè)防水煤柱示意圖如圖4所示。

圖4 斷層防水煤柱示意圖

安全隔水煤(巖)柱經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中：L——煤柱留設(shè)的寬度，m；

K——安全系數(shù)，一般取2～5；

M——煤層厚度或采高，m；

p——水頭壓力，MPa；

KP——煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

(3)疏水降壓。疏水降壓是直接采用抽放設(shè)備對(duì)含水層進(jìn)行排水，降低含水層的水壓力和含水量，從而使含水層的水壓水量處于安全范圍內(nèi)，疏水降壓可從源頭上解決礦井水害問(wèn)題，主要適用于含水層補(bǔ)給量不大的情況。若含水層補(bǔ)給量較大，采用疏水降壓措施，則無(wú)明顯的效果。目前，我國(guó)各大礦區(qū)采用的疏水降壓措施主要有疏、排水巷道、抽水鉆孔、排水鉆孔等，當(dāng)井下含水層范圍和規(guī)模較大時(shí)，可根據(jù)地質(zhì)條件，劃分區(qū)段、進(jìn)行分段疏水降壓，從而減小疏水降壓時(shí)的設(shè)備和物資消耗，降低成本，疏水降壓示意圖如圖5所示。

圖5 疏水巷道排水

(4)圍巖注漿。礦井工作面范圍內(nèi)含水層水壓不大時(shí)，可采用注漿的方法，封堵由開(kāi)采擾動(dòng)造成的圍巖體裂隙，從而保證工作面不受水害的影響，注漿的成敗關(guān)鍵在于注漿材料的選擇、注漿孔的布置、注漿壓力的確定等參數(shù)，因此在注漿前可先采取綜合探測(cè)方法，確定裂隙發(fā)育規(guī)模和裂隙帶范圍，從而選取合理的注漿參數(shù)，以達(dá)到較好的注漿效果，工作面底板注漿示意圖如圖6所示。

圖6 工作面底板注漿示意圖

4 結(jié)論

(1)針對(duì)受水害威脅的礦井，依據(jù)“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的基本原則，提出采用放射性采用鉆孔探水、放射性測(cè)量、物探相結(jié)合的綜合探水措施進(jìn)行水害的預(yù)測(cè)。

(2)依據(jù)綜合探測(cè)技術(shù)測(cè)得的水文地質(zhì)情況，從地表、井下兩方面提出了一系列綜合治理措施，主要包括在地表選擇合理的井筒位置、修筑導(dǎo)水溝，在井下進(jìn)行超前探放水、預(yù)留防水煤柱、采取圍巖注漿等措施。