煤礦防治水管理體系的構(gòu)建策略研究

于淑艷,段勝利,于淑靜

(1.河南地礦職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450007;2.河南平煤神馬夏店煤業(yè)股份有限公司,河南 平頂山市 467544;3.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110000)

0 引言

當(dāng)前,在國(guó)家礦山安全監(jiān)察局的有效監(jiān)督管理下,礦井水害急劇下降[1]。由于淺層資源逐漸枯竭,礦山企業(yè)轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)深部資源。一般來(lái)說(shuō),礦山越深,水文地質(zhì)條件越復(fù)雜,水害防治工作難度越大。在此情況下,部分礦區(qū)時(shí)有大型礦井突水災(zāi)害發(fā)生。要徹底治理礦井水害,相關(guān)研究還有很長(zhǎng)的路要走?？傮w來(lái)看,煤礦水害研究多集中在探查水文地質(zhì)條件,礦井突水危險(xiǎn)性理論計(jì)算和綜合評(píng)價(jià),以及將上述研究成果作為基礎(chǔ)的礦井水害預(yù)防和治理技術(shù)等[2]。礦井水文地質(zhì)條件探查和評(píng)價(jià)對(duì)于礦井水害預(yù)防有積極的作用,同時(shí)也是系統(tǒng)化、綜合化防治技術(shù)的基礎(chǔ)。因此,在全面探究水文地質(zhì)條件的前提下,礦井水害預(yù)防以及治理是研究工作的主要目標(biāo),同時(shí)也是礦井安全開(kāi)采以及礦區(qū)社區(qū)、經(jīng)濟(jì)等發(fā)展的保障[3]。從實(shí)踐情況來(lái)看,受悠久開(kāi)采歷史和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的影響,煤礦水害防治已經(jīng)非常的成熟。但遺憾的是,目前對(duì)于特定類型煤礦水害的相關(guān)防治技術(shù)不健全,系統(tǒng)性不足[4]。為此,迫切需要發(fā)展新的科學(xué)技術(shù)和裝備,加強(qiáng)水害治理機(jī)理研究。針對(duì)我國(guó)煤礦井下工作中存在的問(wèn)題,以某煤礦為例,分析了礦井水文地質(zhì)現(xiàn)狀,闡述了該礦的水害事故防治技術(shù)和管理工作體系,為其他煤礦特別是富水礦山提供借鑒。

1 礦井水文地質(zhì)現(xiàn)狀

某礦當(dāng)前的首采煤層是二疊系山西組3#煤層,厚度為5.76 m,傾角接近水平,煤巖裂隙發(fā)育,煤層的頂?shù)装逯饕獮槟鄮r。煤層頂板含水層是山西組砂巖裂隙含水層,其本身的富水性較弱,通常在采掘工作面利用錨索、錨桿和煤巖裂隙,以淋水的方式對(duì)工作面產(chǎn)生影響。3#煤層通過(guò)多年的開(kāi)采,井田內(nèi)部已經(jīng)存在多個(gè)采空區(qū),由于長(zhǎng)期封閉,排水停滯,都存在一定的積水,積水的水量以及位置較為清晰。周邊礦井和該礦相近區(qū)域有一定區(qū)域的采空區(qū),雙方都按照規(guī)定預(yù)留了邊界隔水煤柱。煤層底板含水層是太原組灰?guī)r弱富水含水層以及奧陶系中等富水含水層。太灰水富水較弱,壓力比較小,奧灰水頭提升,煤層帶壓相對(duì)較大,奧灰含水層和3#煤層間有100 m 的隔水煤巖柱,突水系數(shù)相對(duì)較小,在不存在地質(zhì)構(gòu)造溝通含水層時(shí)不會(huì)產(chǎn)生威脅。總而言之,該礦的水害威脅主要源于井田內(nèi)部的老空積水和構(gòu)造水。

2 防治水管理體系構(gòu)建

2.1 體制建設(shè)

2.1.1 完善防治水組織架構(gòu)

公司成立以防治水為核心的工作領(lǐng)導(dǎo)小組,總經(jīng)理?yè)?dān)任組長(zhǎng),生產(chǎn)副總經(jīng)理、總工程師、基建副總經(jīng)理、安監(jiān)局長(zhǎng)以及經(jīng)營(yíng)副總經(jīng)理?yè)?dān)任副組長(zhǎng)。地測(cè)和其他副總工程師、地質(zhì)測(cè)量部、總工程師辦公室、建設(shè)管理部、生產(chǎn)技術(shù)部、調(diào)度室、通風(fēng)管理部、經(jīng)營(yíng)管理部以及安全監(jiān)察部等部門負(fù)責(zé)人為小組成員。總經(jīng)理主要負(fù)責(zé)提供防治水工作中的資金、物力以及人力等方面的保障。總工程師主要在總經(jīng)理的領(lǐng)導(dǎo)下,完成防治水的相關(guān)技術(shù)管理工作[5]。生產(chǎn)和基建副總經(jīng)理輔助總經(jīng)理對(duì)生產(chǎn)、建設(shè)中可能會(huì)出現(xiàn)的地測(cè)防治水管理問(wèn)題進(jìn)行處理,負(fù)責(zé)對(duì)排查過(guò)程中出現(xiàn)的重大地測(cè)防治水安全隱患做出整改,依據(jù)總經(jīng)理下發(fā)的指令組織水害事故搶險(xiǎn),并且恢復(fù)生產(chǎn)。安監(jiān)局長(zhǎng)的工作在于強(qiáng)化防治水的安全監(jiān)督管理工作,對(duì)水害事故做出定期的救援演練,參與到水害事故的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中。經(jīng)營(yíng)副總經(jīng)理制定并且落實(shí)防治水工程資金計(jì)劃。地測(cè)副總工程師輔助總工程師加強(qiáng)防治水技術(shù)的管控工作。

2.1.2 優(yōu)化防治水機(jī)制建設(shè)

(1)互動(dòng)機(jī)制。互動(dòng)機(jī)制是整合信息系統(tǒng)與專家?guī)?煤礦和水害專家構(gòu)建合作關(guān)系,使得煤礦管理層、技術(shù)人員能夠和專家實(shí)時(shí)溝通與互動(dòng)的機(jī)制。水害救治專家能夠動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)掌握煤礦水害情況,幫助煤礦構(gòu)建水害防治機(jī)制,減緩煤礦水害發(fā)生頻率。在發(fā)生水害時(shí),專家可以及時(shí)、主動(dòng)地制定方案實(shí)施救治。

(2)預(yù)警機(jī)制。預(yù)警機(jī)制的主要作用是在水害事故發(fā)生之前發(fā)出預(yù)警,為規(guī)范以及制止水害而形成的一套規(guī)范化系統(tǒng)。預(yù)警需要按照日常監(jiān)測(cè)、信息分析,采用科學(xué)建模的形式對(duì)水害進(jìn)行預(yù)測(cè),并且按照礦井是否存在用水量突變、頂?shù)装鍣C(jī)械裂變、井巷冒汗等征兆進(jìn)行預(yù)判。如果出現(xiàn)了上述指標(biāo),并達(dá)到臨界值以后,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)[6]。因此,預(yù)警機(jī)制要有良好的信息監(jiān)測(cè)體系、信息傳遞系統(tǒng)以及信息處理分析系統(tǒng)作為基礎(chǔ),從而確保及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)、科學(xué)處理分析以及暢通傳遞信息。預(yù)測(cè)是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所做的分析和處理,從大量的數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律,從而預(yù)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)的災(zāi)變。想要提升預(yù)測(cè)精準(zhǔn)性,需要構(gòu)建科學(xué)仿真模型,比如灰色關(guān)聯(lián)模型、模糊綜合模型、小波模型、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和多種方法并存的綜合模型等。充分結(jié)合歷史數(shù)據(jù),利用仿真模擬可以獲取更加可靠和精確的預(yù)測(cè)模型。精確預(yù)測(cè)結(jié)果有助于及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息,提升煤炭企業(yè)員工對(duì)于水害的警覺(jué),降低水害導(dǎo)致的人員傷亡。

(3)人才隊(duì)伍建設(shè)機(jī)制。該煤礦的水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,由于受到了老空區(qū)積水的影響,需要配備專業(yè)防控水技術(shù)人員或者是委托具備資質(zhì)的機(jī)構(gòu)實(shí)施防控水服務(wù),構(gòu)建防治水相關(guān)人員培訓(xùn)機(jī)制,培養(yǎng)探放水專業(yè)的技術(shù)人員,彌補(bǔ)我國(guó)當(dāng)前探放水技術(shù)人員短缺的不足,確保井下探放水工程質(zhì)量[7]。煤礦水害監(jiān)管從業(yè)人員需要獲得和煤礦防治水有關(guān)的證書,或者是具有正規(guī)院校畢業(yè)的學(xué)歷,同時(shí)還需要附加煤礦防治水工作經(jīng)驗(yàn)證明。為了提升監(jiān)察的有效性,需要聘請(qǐng)專家實(shí)施相關(guān)監(jiān)管工作。

2.2 勘查研究

由于該煤礦未封閉鉆孔相對(duì)較多,如果存在導(dǎo)通的情況,礦井將會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模突水,并產(chǎn)生淹井的問(wèn)題,對(duì)井下人員的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅,造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)礦區(qū)面積大、未封閉鉆孔多的實(shí)際情況,深入分析礦區(qū)的水文地質(zhì)條件,制定出綜合勘探的方法與技術(shù),利用瞬變電磁勘探、水文測(cè)井、水文鉆探以及對(duì)比抽水試驗(yàn)相互融合的方式,評(píng)價(jià)未封閉鉆孔的導(dǎo)水性。

第一,瞬變電磁勘探。劃分勘探區(qū)內(nèi)部的底層分布,按照底層沉積規(guī)律融合電法電阻率物性進(jìn)行集中反映,劃分關(guān)鍵地層含水層段,查明勘察區(qū)主采煤層頂部各個(gè)含水層和層組分布的范圍、產(chǎn)狀。本次瞬變電磁勘探的特征是按照區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)瞬變數(shù)據(jù)曲線變化情況,結(jié)合數(shù)據(jù)反演結(jié)果和勘探區(qū)內(nèi)鉆孔資料進(jìn)行推斷解釋,圈出區(qū)內(nèi)3個(gè)含水層組的實(shí)際分布變化、范圍與厚度,并且圈定隔水層較薄區(qū)域作為危險(xiǎn)的地段,為水文鉆孔和布設(shè)提供靶區(qū)。第二,水文鉆探。根照對(duì)工作區(qū)過(guò)去水文地質(zhì)資料的分析研究成果,然后結(jié)合構(gòu)造、地質(zhì)情況和電法勘探成果以及本次研究工作的實(shí)際需求,本著合理、經(jīng)濟(jì)和有代表性的基本原則,施工4組水文地質(zhì)孔[8]。水文鉆探成井使用了全新的工藝:

(1)止水方式為利用同徑、異徑以及托盤海帶加泥球分層止水。

(2)過(guò)濾器使用鋼管橋式過(guò)濾器,顯著提升了孔隙率。

(3)水文測(cè)井包含了常規(guī)測(cè)井和流量測(cè)井,劃分所測(cè)鉆孔巖性,解釋含水層厚度、深度和含水量。水文測(cè)井特征指的是對(duì)每個(gè)含水層做分層流量測(cè)井,補(bǔ)充混合抽水無(wú)法獲取的水文地質(zhì)參數(shù)。獲得的各個(gè)含水層相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù),能夠?yàn)榈V井后期的水文地質(zhì)工作提供必備的水文地質(zhì)依據(jù)。

(4)對(duì)比抽水試驗(yàn)。因?yàn)樵撁旱V的含水層數(shù)量較多,本次工作難以對(duì)每個(gè)含水層進(jìn)行抽水與觀測(cè),因此將所有含水層分成4個(gè)不同的含水層組,對(duì)4個(gè)含水層組做抽水以及觀測(cè)。抽水試驗(yàn)完成了4組孔對(duì)比抽水試驗(yàn),其特征為:抽水主孔與觀測(cè)孔處于已知未封閉鉆孔的兩端,可以更加直接地驗(yàn)證原鉆孔當(dāng)中含水層組間水位的變化以及水力的聯(lián)系;針對(duì)不存在未封閉鉆孔的原始地層中布置一組抽水孔,探查原始地層下各個(gè)含水層間水位的變化以及水力的聯(lián)系。布置4組抽水孔做抽水對(duì)比觀測(cè),從而更加客觀、全面地探查水文地質(zhì)實(shí)際的狀況[9]。

2.3 超前防探

探放水是煤礦預(yù)防突水問(wèn)題的重要方式,針對(duì)該煤礦現(xiàn)存的老空區(qū)積水和構(gòu)造水、奧灰水等問(wèn)題,應(yīng)做好防探工作。

在探放水之前要明確探水線,同時(shí)將其繪制在采掘工程平面圖上,編制探放水設(shè)計(jì),明確探水警戒線,并使用避免瓦斯與其他有害氣體危害性的相關(guān)安全舉措。同時(shí)需要確定探放水的必備條件:第一,接近水淹和可能積水的老空區(qū)、井巷、相鄰煤礦;第二,接近導(dǎo)水?dāng)鄬印⒑畬?、溶洞、暗河以及倒水陷落?第三,打開(kāi)放隔水煤(巖)柱實(shí)施放水;第四,接近可能和湖泊、河流、蓄水池、水庫(kù)以及水井相同的斷層破碎帶;第五,接近存在出水可能的鉆孔;第六,接近水文條件相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域;第七,采掘破壞影響范圍內(nèi)存在承壓含水層或者是含水構(gòu)造、含水層和煤層間的防隔水煤(巖)柱厚度不夠清晰,可能會(huì)出現(xiàn)突水的情況;第八,接近存在積水的灌漿區(qū)域;第九,接近有突水可能的地區(qū)。

探放水鉆孔布置措施包含以下四點(diǎn)。第一,在探放老空區(qū)積水、鉆孔水以及陷落柱水的過(guò)程中,探水鉆孔要成組布設(shè),并且要在巷道前方豎直面與水平面保持扇形,鉆孔終孔的位置要滿足平距3 m 的標(biāo)準(zhǔn),厚煤層內(nèi)的各孔終孔垂距要保持在1.5 m 以內(nèi)。第二,探放斷裂構(gòu)造水以及巖溶水時(shí),探水鉆孔沿掘進(jìn)方向前方和下方進(jìn)行布置,在底板方向鉆孔2個(gè)。第三,煤層內(nèi)部禁止探放水壓超過(guò)1 MPa的充水陷落柱水、斷層水以及含水層。如果需要可以建筑防水閘墻,從閘墻外向內(nèi)部探放水。第四,上山探水時(shí)通常做雙巷掘進(jìn),一條超前探水與匯水,另一條則用于撤離,雙巷之間間隔30～50 m 要掘1條聯(lián)絡(luò)巷,并且要設(shè)置擋水墻[10]。

3 防治水管理效果評(píng)價(jià)

該套防治水管理體系于2019年提出,通過(guò)多年的體系建設(shè),礦山在隊(duì)伍建設(shè)、勘探研究、監(jiān)測(cè)監(jiān)控等方面都增加了人力和物力的投放力度,組織機(jī)構(gòu)和規(guī)章制度更加健全,管理工作趨于常態(tài)化與系統(tǒng)化,各項(xiàng)防治水工作都獲得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展與進(jìn)步。截至目前,未發(fā)生任何水害事故,該煤礦防控水管理體系的應(yīng)用效果顯著,應(yīng)用效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

表1 煤礦防治水管理體系的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦防治水技術(shù)和理論在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。當(dāng)前,煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的水害類型包含了采空區(qū)積水水害、含水層突水水害、地表水水害、鉆孔水水害以及斷層水水害。本文將二疊系山西組3#煤層作為研究對(duì)象,構(gòu)建了防治水組織架構(gòu),優(yōu)化了防治水機(jī)制建設(shè),在此基礎(chǔ)上,利用瞬變電磁勘探、水文測(cè)井、水文鉆探和對(duì)比抽水試驗(yàn)相互融合的方式,對(duì)未封閉鉆孔導(dǎo)水性進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)該防治水管理體系,礦山防治水管理工作日趨系統(tǒng)化和常態(tài)化,各項(xiàng)工作都得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。通過(guò)實(shí)例分析,極大地豐富了前人的研究成果,對(duì)于煤礦防治水管理體系的構(gòu)建有一定的借鑒與推動(dòng)作用。