相鄰關(guān)閉礦井的礦井水處置技術(shù)方法及實(shí)施方案

屈子明

（開(kāi)灤勘察設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063018）

1 概 況

按照相關(guān)政策要求，開(kāi)灤集團(tuán)古冶區(qū)域的趙各莊、林西礦將實(shí)施關(guān)閉退出，再加上于2001 年已經(jīng)關(guān)閉的唐家莊礦，古冶區(qū)區(qū)域共有3 座關(guān)閉或臨近關(guān)閉的大型礦井，這些礦井留下的大量采空區(qū)及井下巷道，將集聚大量積水。當(dāng)關(guān)閉趙各莊礦后，礦井積水至-570 m 標(biāo)高位置時(shí)，將有22.45～30 m3/min 水量流入林西礦，對(duì)林西礦產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)關(guān)閉林西礦后，林西礦積水至-500 m 標(biāo)高位置時(shí)，林西礦及趙各莊礦井下積水會(huì)通過(guò)相互聯(lián)通的采空區(qū)流入與林西礦相鄰的呂家坨礦，相鄰礦井位置如圖1 所示。為確保林西礦、呂家坨礦的安全生產(chǎn)，對(duì)趙各莊礦、林西礦閉井后礦井水進(jìn)行科學(xué)合理處置，預(yù)防發(fā)生重大水災(zāi)事故。

圖1 相鄰礦井位置示意Fig.1 Adjacent mines location

2 唐家莊礦井水處置設(shè)計(jì)

唐家莊礦于2001 年關(guān)閉，總涌水量為26.2 m3/min，其中有10 m3/min 礦井水來(lái)自徐家樓井，排放礦井水至今，年排水費(fèi)用多達(dá)1 600 萬(wàn)元。徐家樓區(qū)域與老區(qū)域之間因?yàn)榇嬖谛膦?、徐Ⅱ等大斷層組（2 個(gè)斷層均為正斷層，落差分別為197 m、160 m），形成2 個(gè)區(qū)域煤層不連續(xù)，采空區(qū)不連通，但有2 條巷道（4129 正、副巷） 將盆地丙與徐家樓區(qū)域連通，連通情況如圖2 所示。如果由地面施工鉆孔對(duì)井下4129 巷道進(jìn)行封堵以起到對(duì)徐家樓礦井水隔絕作用，使徐家樓礦井形成1 個(gè)獨(dú)立的積水區(qū)，剩余16.2 m3/min 礦井水利用改造后的排水系統(tǒng)排放，每年可節(jié)約大量費(fèi)用。

圖2 唐家莊礦各盆地連通情況示意Fig.2 Connection of Basins in Tangjiazhuang Mine

唐家莊礦井水處置方案為先期截堵徐家樓4129 巷道，在徐家樓新井井筒內(nèi)安設(shè)2 臺(tái)BQ500-240/6-500-S 型潛水泵，額定流量10.0 m3/min，使徐家樓區(qū)域與盆地丙區(qū)域水壓平衡，4129 巷道內(nèi)涌水流動(dòng)性處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。依托現(xiàn)有可利用的4129 兩條巷道及原已建造的水閘墻，綜合運(yùn)用地面鉆探、注漿技術(shù)，使井下4129 兩條巷道各形成一定長(zhǎng)度和強(qiáng)度的充填阻水帶，使徐家樓礦井區(qū)域形成1 個(gè)獨(dú)立的積水區(qū)。

后期改造排水系統(tǒng)排放剩余16.2 m3/min 礦井水。利用現(xiàn)有井下-177 m 水平排水系統(tǒng)繼續(xù)排放剩余的礦井水，并對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化改造，精簡(jiǎn)排水人員配置。待注漿截?cái)嗔謪芜吔缢β?lián)系工程完成后，將剩余的礦井水下放林西礦，停止排水作業(yè)。

3 保林西礦安全開(kāi)采趙各莊礦排水設(shè)計(jì)

趙各莊礦關(guān)閉后，根據(jù)趙林邊界采掘、煤柱留設(shè)、地質(zhì)、水文等資料的研究，趙各莊礦井水淹至-570 m 位置以上時(shí)，如果不采取排放措施，將有22.45~30 m3/min 水量流入林西礦，將對(duì)林西礦產(chǎn)生巨大影響。林西礦現(xiàn)有排水系統(tǒng)僅能排放該礦現(xiàn)有礦井水，排水系統(tǒng)沒(méi)有富余排水能力，為了保證林西礦安全生產(chǎn)，需對(duì)趙各莊礦關(guān)閉后的礦井水進(jìn)行處置。

3.1 趙各莊礦排水系統(tǒng)及涌水概況

礦井各水平的涌水通過(guò)各自的水平巷道集中于井底車場(chǎng)，直接進(jìn)入水倉(cāng)或沿馬路眼、斜井下放，再分級(jí)上排，分別集中于4、7、10、12、13 和14水平水倉(cāng)，1、2、3 水平的涌水下放到4 水平，最終由4、7 兩個(gè)水平泵房直排地表，礦井排水系統(tǒng)如圖3 所示。根據(jù)趙各莊礦井涌水觀測(cè)，當(dāng)水淹沒(méi)到8 水平時(shí)，8 水平及以下礦井涌水量為12.8～13.6 m3/min，淹沒(méi)到-570 m，涌水量為11.6 m3/min。

圖3 趙各莊礦井排水系統(tǒng)示意Fig.3 Mine drainage system in Zhaogezhuang Mine

3.2 排水設(shè)計(jì)

保林西礦安全開(kāi)采主要有在林西礦排水和在趙各莊礦排水2 個(gè)方案可供選擇。

3.2.1 在林西礦排水方案

如果趙各莊礦停止排水，當(dāng)?shù)V井淹沒(méi)到-570 m 以上時(shí)，涌水將滲漏到林西礦9 水平。而林西礦9 水平泵房排水能力已達(dá)上限，如果再增加趙各莊礦的涌水量，需要對(duì)9 水平泵房水倉(cāng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，根據(jù)現(xiàn)有資料，無(wú)法準(zhǔn)確分析出趙各莊礦井淹沒(méi)至-570 m 以上時(shí)，涌水滲漏到林西礦的滲漏通道及滲漏量，有可能22.45～30 m3/min 全部滲漏到林西礦9 水平，這是最理想狀態(tài)；也有可能部分礦井水滲漏到林西礦9 水平，部分礦井水滯留在趙各莊井下，當(dāng)水位達(dá)到一定位置時(shí)，突發(fā)涌入林西礦，發(fā)生災(zāi)難性的后果。為了解決以上問(wèn)題，提出從林西礦9～10 水平（-600 m） 新掘巷道與趙各莊8 水平掘透，把趙各莊礦井水引到林西礦，把趙各莊井下巷道作為超大水倉(cāng)，在林西9～10 水平布置正壓泵房，從林西6 號(hào)井布置排水管路直排地面。

該方案解決了滲漏通道不清、滲漏量不定、安全無(wú)保障的問(wèn)題，變不定因素為確定因素，但存在嚴(yán)重的高水低排問(wèn)題，排水電費(fèi)大幅增加，原來(lái)可以從趙各莊4 水平（-288 m）、7 水平（-550 m）直排地面的水全部下放林西礦9～10 水平（-600 m） 排放。另外新掘聯(lián)通趙各莊礦8 水平與林西礦的巷道，屬于越界開(kāi)采范疇。

根據(jù)以上分析在林西礦排水方案不可行。

3.2.2 在趙各莊礦排水方案

根據(jù)趙各莊礦現(xiàn)有排水系統(tǒng)和需控制的排水標(biāo)高初步確定4 個(gè)方案：①在趙各莊礦地面使用潛水泵排水方案；②保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安設(shè)潛水泵排水方案；③保留4、7 水平泵房，在8 水平安設(shè)臥泵排水方案；④13、14 水平停止排水，保留12 水平以上泵房排水方案。

方案1 在地面使用潛水泵排水，需要8 水平（-646 m） 直通地面的井筒，而趙各莊直通地面最深的井筒是038 風(fēng)井（地面至7 水平），如果把038 風(fēng)井作為潛水泵排水井，需要新掘90 m 井筒，井筒延伸到8 水平時(shí)井底距奧灰水較近，小于安全距離，故該方案為不可行方案。

方案2～4 技術(shù)上均可行，通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較，方案2 投資凈現(xiàn)值最少，方案技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。即采用保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安設(shè)潛水泵排水方案。

趙各莊礦關(guān)井后對(duì)趙各莊礦排水系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造以適應(yīng)關(guān)井后排水、上下人員、設(shè)備及通風(fēng)；同時(shí)為了減少礦井涌水量，對(duì)一些涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵；4、7 水平泵房?jī)?nèi)的老舊水泵、開(kāi)關(guān)及管路根據(jù)需要進(jìn)行更換。

4 保呂家坨礦安全開(kāi)采截排水設(shè)計(jì)

趙各莊礦停止排水并淹至-570 m 位置后，預(yù)計(jì)將有26 m3/min 水量涌入林西礦；林西礦停止排水并淹至-500 m 位置后，預(yù)計(jì)將有22.58 m3/min水量涌入?yún)渭役绲V；當(dāng)唐家莊礦、趙各莊礦、林西礦都停止排水并淹至-500 m 位置通后，預(yù)計(jì)將有48.58 m3/min 左右水量涌入?yún)渭役绲V。

保呂家坨礦安全開(kāi)采主要有3 個(gè)方案，即截水方案、潛水泵排水方案以及臥泵排水方案。

4.1 注漿截?cái)嗔謪芜吔缢β?lián)系方案

林西礦關(guān)閉后，如果不繼續(xù)排水，就必須對(duì)林西礦與呂家坨礦之間邊界保護(hù)煤柱進(jìn)行注漿加固，形成完整的堵水體系，才能保證呂家坨礦將來(lái)生產(chǎn)的安全。因此，在林西礦、呂家坨礦邊界線對(duì)應(yīng)地面上施工注漿鉆孔，進(jìn)行注漿加固邊界保護(hù)煤柱的方案，來(lái)保證呂家坨礦將來(lái)礦井安全生產(chǎn)。

注漿堵水加固治理范圍南北長(zhǎng)約1.5 km，東西寬60 m，面積約167 768 m2，高度由5 煤層以上80 m 到9 煤層或12 煤層底板（即主采煤層底板）位置，平均高度140 m。在2 個(gè)礦的邊界附近與古范鐵路線之間，布置注漿鉆孔，由北向南，由深部到淺部，對(duì)采煤形成的冒落帶、裂隙帶以及煤層地層的原生裂隙進(jìn)行注漿充填與加固，在兩礦邊界帶形成完整的注漿堵水的帷幕墻，阻斷林西礦與呂家坨礦之間的水力聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，施工區(qū)域中間部分受到地面工廠限制，無(wú)法布置鉆孔，要考慮施工定向鉆孔。鉆孔鉆探進(jìn)尺合計(jì)約72 540 m，累計(jì)注漿量約301 690 m3。

4.2 潛水泵排水方案

在林西礦6 號(hào)井（上井口標(biāo)高為41.6 m，井底標(biāo)高為-709.3 m，井筒深度為750.9 m,井筒直徑為A7.8 m） 和趙各莊礦038 風(fēng)井（上井口標(biāo)高為52 m，井底標(biāo)高為-552.9 m，井筒深度為604.9 m，井筒直徑為A6 m） 井筒內(nèi)分別安設(shè)潛水泵，擔(dān)負(fù)排放趙各莊礦、林西礦全部礦井水，水位保持在-500 m 以下，來(lái)保證呂家坨礦生產(chǎn)安全。

根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)有相關(guān)礦井采用潛水泵作為井下永久泵房排水泵使用。此外，關(guān)井后，礦井水質(zhì)變好，由原來(lái)的渾水變?yōu)榍逅?，更有利于潛水泵排水?/p>

4.3 臥泵排水方案

根據(jù)呂家坨礦、林西礦邊界煤柱情況，林西礦關(guān)井后，礦井涌水從-500 m 左右的位置流入?yún)渭役绲V井下，而林西礦8 水平標(biāo)高為-450 m，9 水平為-570 m。林西礦排水必須保持在-500 m 以下，才能保證呂家坨礦的安全生產(chǎn)，所以排水水泵房定在9 水平，即9 水平以下淹井，9 水平以上維持正常通風(fēng)、排水。因此該方案是在保留林西礦4、6、8 水平泵房的基礎(chǔ)上新建9 水平泵房排水系統(tǒng)，趙各莊礦、林西礦全部礦井水，水位保持在林西礦9水平，來(lái)保證呂家坨礦生產(chǎn)安全。

4.4 方案比較及確定

對(duì)上述3 個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table1 Comparison of advantages and disadvantages of the plan

對(duì)3 個(gè)方案工程費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較，各方案凈現(xiàn)值大小排序?yàn)?，方案? 方案Ⅱ< 方案Ⅲ。

從3 個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和工程凈現(xiàn)值比較中可以看出：

（1） 方案Ⅲ工程費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用最高，而且需要人員上下井，存在一定的安全管理問(wèn)題，與方案Ⅰ和方案Ⅱ相比明顯處于劣勢(shì)，不再作為推薦方案。

（2） 方案Ⅰ可以徹底截?cái)嗔治鞯V與呂家坨礦的水力聯(lián)系，消除礦井保護(hù)煤柱失效這一重大安全隱患，可以提高古冶區(qū)域地下水水位，對(duì)保護(hù)和利用地下水資源極為有利，而且經(jīng)濟(jì)效果好，但一次性投入過(guò)高，尤其是其截水效果有一定的不確定性，不能保證萬(wàn)無(wú)一失，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3） 方案Ⅱ可以充分利用趙各莊礦和林西礦的現(xiàn)有井筒安設(shè)潛水泵，保證將水位控制在相鄰礦井水力聯(lián)系通道標(biāo)高以下，同時(shí)可利用井下巷道和采空區(qū)形成的超大“水倉(cāng)”躲峰填谷，降低排水電費(fèi)，礦井水還可以繼續(xù)供給現(xiàn)有用戶，但因排水高度較大，年運(yùn)行費(fèi)用較高，并且因呂家坨礦服務(wù)年限較長(zhǎng)，總的運(yùn)行費(fèi)用高。

方案Ⅰ和方案Ⅱ，都有不盡人意的地方，推薦采取方案Ⅰ和方案Ⅱ相結(jié)合的方式，即前期先按照方案Ⅱ?qū)嵤?，將潛水泵設(shè)置至-500 m 以下，逐步提高水位，摸清林呂邊界水力聯(lián)系，再有針對(duì)性地對(duì)林呂邊界由下至上實(shí)施方案Ⅰ，徹底截?cái)嗔謪芜吔缢β?lián)系或根據(jù)取水需求確定需要截堵林呂邊界水力聯(lián)系標(biāo)高，潛水泵可以繼續(xù)為用戶供水，變負(fù)擔(dān)為資源，繼續(xù)履行林西礦、唐家莊礦與地面其他工業(yè)企業(yè)用戶供水協(xié)議。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前唐家莊礦、趙各莊礦已按設(shè)計(jì)方案實(shí)施，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。對(duì)關(guān)閉礦井的礦井水進(jìn)行主動(dòng)封堵，解決其對(duì)相鄰生產(chǎn)礦井的潛在威脅，形成了以預(yù)防為主，提前注漿封堵，截排相結(jié)合的防治水技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)呂家坨礦不受其相鄰關(guān)閉礦井水災(zāi)害威脅。關(guān)閉礦井采空區(qū)注漿堵水技術(shù)不但達(dá)到了封堵水目的，還可以提高該地區(qū)地下水位，在一定程度上減緩了礦區(qū)地面沉降，保護(hù)該區(qū)域地下水資源。該項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)開(kāi)灤集團(tuán)所屬礦井具有重要指導(dǎo)意義，為其他礦區(qū)類似問(wèn)題提供參考。