崔佳星

(河北工程大學資源學院，河北 邯鄲 056038)

區(qū)域性疏水降壓防治水技術(shù)研究

崔佳星

(河北工程大學資源學院，河北 邯鄲 056038)

針對礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和區(qū)內(nèi)各礦的開采條件，經(jīng)過綜合考慮選擇疏水降壓的防治水方案，提出集中放水、以單礦疏降礦區(qū)的方法，合理布置放水孔和排水設(shè)施，達到了預期疏降效果。

疏水降壓;防治水;放水點

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，能源需求旺盛，煤炭產(chǎn)量大幅度增加，但淺部煤層開采殆盡，急需解放深部資源［1］。研究礦區(qū)位于河北張家口市，由6個礦組成，互為井田邊界。其中，1～4礦前身為地方煤礦，淺部6#、5#煤資源已開采殆盡，深部1#煤層為計劃接替生產(chǎn)資源;5、6礦為新建煤礦，先期開采6#、5#煤。6個礦在今后的生產(chǎn)過程中均面臨著下伏高承壓奧灰水的威脅。針對此關(guān)鍵問題，6個礦聯(lián)合采取疏水降壓防治水技術(shù)，大大增加了安全生產(chǎn)的可靠性。

1 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)揭露的地層由老到新依次為:寒武系、古生界奧陶系、中生界侏羅系和新生界第四系，含煤地層為侏羅系中—下統(tǒng)下花園組，為一套內(nèi)陸山間盆地型湖泊—湖泊三角洲及河流—沖積扇相沉積體系。依據(jù)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的差異可將盆地劃分為5個塊段，研究礦區(qū)位于第5塊段中南部(圖1)，該塊段四周被不同規(guī)模斷層所切割，使之成為相對封閉的水文地質(zhì)單元:該塊段南界為壺流河斷層，構(gòu)成了壺流河南北地下水的隔水屏障;在北界陽原南山斷層北側(cè)分布著條帶狀的太古界片麻巖，南側(cè)為寒武系底部頁巖翹起，均起到一定的隔水作用;東界松枝口—右所堡斷層，為一新生界掩蓋下的隱伏斷層，由于斷層落差大，兩側(cè)水力聯(lián)系微弱;西界的暖泉—大灣斷層為一平移正斷層，金泉至大灣以北斷層落差較小，兩盤灰?guī)r對接，地下水聯(lián)系密切。金泉以南段，斷層落差增大，斷層阻水能力加強。在兩大斷層的交匯處形成暖泉泉群，為第Ⅴ塊段奧灰水的自然排泄區(qū)。

1.2 含、隔水層特征

1.2.1 主要含水層

礦區(qū)內(nèi)共有5個含水層段:寒武系灰?guī)r含水層、奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r含水層、侏羅系中下統(tǒng)下花園組煤系砂巖含水層、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖含水層及第四系砂礫石含水層。不同區(qū)段奧陶系石灰?guī)r富水性差異較大，巖溶發(fā)育區(qū)多沿地下水徑流帶發(fā)育。對開采有較大影響的主要為煤系基底奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，厚度由北向南逐漸變厚，厚度不均一，部分地段缺失，最大厚度100.05 m，巖溶發(fā)育極不均一，水位標高在+970 m左右。富水性極不均一，單位涌水量0.000 76～2.0 L/s·m，由北向南有增大趨勢。

1.2.2 隔水層特征

礦區(qū)在可采煤層與基底奧陶系灰?guī)r之間，普遍發(fā)育一層隔水的鮞狀黏土巖、粉砂巖。但此層的沉積厚度隨古地形的起伏各異、薄厚不一，局部地點缺失，造成可采煤層與奧灰直接接觸。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖

2 疏水降壓必要性

1～4礦已開采多年，淺部6#、5#煤資源已開采殆盡，為保證職工利益，維護礦井正常生產(chǎn)，迫切需要解放深部1#煤層，實現(xiàn)礦井持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn);5、6礦為新建煤礦，雖然不面臨接替生產(chǎn)問題，但由于區(qū)域構(gòu)造、地下水徑流等因素的影響，水文地質(zhì)條件極其復雜。自投產(chǎn)以來，已發(fā)生過多次突水，在開采5#煤時最大突水量達1 400 m3/h，嚴重威脅礦井安全。事后分析突水原因是由于煤層底板距離下伏奧灰含水層僅為33 m，且存在隱伏斷裂構(gòu)造在靜水壓力和動水壓力共同作用下，巷道底臌逐漸增大，導水通道逐漸擴大，進而造成涌水量迅速增大，造成了本次突水的發(fā)生。

目前，煤礦礦井防治水主要包括疏水降壓［2］、底板注漿加固［3，4］、充填保水開采［5］等手段。礦區(qū)內(nèi) 6 個礦井均面臨下伏高承壓水的威脅，各礦1#煤底板距奧灰含水層頂板距離一般在15 m左右，注漿層位難以確定，注漿加固后強度難以保證;若采取充填開采的方法，底板導水裂隙仍然存在，亦不能切斷奧灰水的補給通道，因此只能采用疏水降壓技術(shù)。

綜上所述，礦區(qū)內(nèi)所有礦井均面臨著下伏高承壓奧灰水的威脅，為了保證采掘的正常接替和安全生產(chǎn)，迫切要求疏水降壓，對礦井水進行行之有效的綜合治理。

3 疏水降壓可行性分析

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件得知，礦區(qū)內(nèi)奧灰含水層處于半封閉的蓄水構(gòu)造中，區(qū)域匯水面積770 km2，大氣降水是奧灰含水層的主要補給來源。為了深入認識礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，2010年礦區(qū)進行了奧灰含水層放水試驗。通過放水試驗，認識了奧灰含水層的富水性和補給情況，并且探查了奧灰與第四系及寒武系含水層的水力聯(lián)系情況。放水試驗結(jié)果證明，在持續(xù)放水的情況下，觀測孔的水位是逐漸下降的(圖2)，奧灰補給緩慢并且以靜儲量為主，奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層滲透性較好，但補給條件較差，對于疏水降壓是有利的，另外從區(qū)域奧灰水多年的水位變化情況來看，奧灰水位是呈下降趨勢的，大流量長時間的疏降水加上礦區(qū)生活用水，使疏水降壓具有可行性。

圖2 觀測孔水位歷時曲線

4 疏水降壓方案的確定

此次疏水降壓工作與以往有很大的不同，是為整個礦區(qū)共6個礦井服務(wù)。為此初步設(shè)計在各礦井均施工放水孔，但分析各礦區(qū)域位置、水文地質(zhì)條件和開采條件后(參見表1)，否決了這項方案，主要原因是:

(1)奧陶系灰?guī)r的起伏形態(tài)基本跟煤系地層的起伏形態(tài)一致，即總體趨勢為西北高東南低，在地勢較高的1、2礦疏水效果不會很理想;

(2)因疏水降壓的迫切性，采區(qū)工期較短的井下施工放水孔，但會增加礦井排水量。6個礦井中部分礦井排水能力有限，不能滿足疏降的排水量要求;

(3)由于該區(qū)奧灰含水層富水性的不均一性，很難保證每個鉆孔的抽水量能夠達到預想的水量。

表1 各礦基本開采條件一覽表

綜合考慮之后，決定采用“集中放水、以單礦疏降礦區(qū)”的方案，并選定6礦為疏降礦井，主要原因是:

(1)6礦開采水平最低，為 +650水平，施工井下鉆孔工期較短;

(2)6礦礦井正常排水能力1430 m3/h，最大排水能力3300 m3/h，需要增設(shè)的排水泵房和排水設(shè)施不多，容易實現(xiàn);

(3)通過放水試驗得知，從19－9孔、16－17孔、13－10－3孔至9－孔、5－1鉆孔為奧灰含水層強徑流帶，東翼回風巷放水處水量較大，放水試驗期間水位下降明顯，并能在較短時間內(nèi)恢復，說明該區(qū)域徑流條件好，聯(lián)系暢通，疏水效果明顯。

5 疏水降壓工程布置

5.1 鉆孔布置

鉆孔布置時以井下放水試驗孔和專門疏水鉆孔為疏水降壓孔，主要布置在奧灰含水層水力聯(lián)系密切、徑流條件較好的東翼回風巷。共施工奧灰放水孔5個:+650 m水平回風巷奧灰放水孔4個，總進尺440 m;井下調(diào)度室附近奧灰放水孔一個，總進尺110 m。疏水降壓工程井下鉆孔布置見圖3。

圖3 井下鉆孔平面布置圖

5.2 排水布置

結(jié)合礦井疏水降壓工程及向地面排清水供礦區(qū)、電廠及附近村民用水的實際情況，在經(jīng)過定性和定量比較的基礎(chǔ)上，認為:由地面打鉆孔鋪設(shè)排水管路方案優(yōu)于回風井井筒布置排水管路和利用副井現(xiàn)有應(yīng)急排水管路方案。井下疏水降壓水通過管路到達清水倉，由于清水倉具備一定的緩沖能力，所以在選擇水泵時可以按照在20 h內(nèi)排出24 h的疏水量計算。經(jīng)過計算，共安裝4臺D450－60×7型水泵，3臺工作，一臺備用，每臺額定流量 450 m3/h;鋪設(shè)2條規(guī)格為φ377×10的排水管路。泵房正常排水能力1 350 m3/h，最大排水能力1 800 m3/h，滿足排水要求。

6 結(jié)語

目前為止，疏水降壓工作已初見成效，對整個礦區(qū)水患進行了綜合治理，北部礦井基本不存在帶壓問題，大大增強了安全生產(chǎn)的可靠性。但東南三礦仍存在程度不同的帶壓開采情況，各礦要根據(jù)實際情況，復雜礦井可采取局部注漿加固技術(shù)，實行底板突水監(jiān)測，提前預測奧灰突水，確保井下開采安全。

［1］朱國維，丁雯，武彩霞.華北煤田底板礦井水分布及突水機理淺析［J］.中國煤炭，2008，34(2):9－11.

［2］葛家德，王經(jīng)明.疏水降壓法在工作面防治水中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2007(8):63－65.

［3］袁中幫，劉以榮，王德帝.底板注漿改造技術(shù)在太灰高水位區(qū)的應(yīng)用［J］.中州煤炭，2009(8):77－78.

［4］呂先進.巷道底板注漿效果分析［J］.煤，2009，18(11):40－41.

［5］潘衛(wèi)東，季文博.煤礦井下充填保水開采的技術(shù)模式探討［J］.煤炭科學技術(shù)，2009，37(8):11－13.

TD743

B

1004－1184(2012)01－0096－02

2011－10－21

崔佳星(1986－)，男，河北保定人，碩士研究生，主攻方向:礦井防治水。