文/李劍峰

為保障采礦安全，防止水害發(fā)生，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司對(duì)多個(gè)下屬煤礦水害方面存在的問(wèn)題進(jìn)行研究與分析，并與科研單位積極開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)實(shí)踐治理，有效保障了礦井開(kāi)采安全。

井下安全查崗 楊濤/攝

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的過(guò)程中，各種類型的水源水會(huì)通過(guò)不同的途徑進(jìn)入到井下巷道和工作面。為了保證采礦的安全、防止水害的發(fā)生，就需要將礦井的涌水向外排出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)煤礦礦井水排放量約為42億m3，約占整個(gè)采礦業(yè)（有色冶金、黃金、化工等礦山)80%，而利用率約為26%。為此，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下屬多個(gè)煤礦對(duì)治理礦井水害方面存在的問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真分析，積極應(yīng)用當(dāng)前已有的適用新技術(shù)，并與有關(guān)單位共同開(kāi)展科技攻關(guān)，有效地保障了礦井開(kāi)采的安全。

礦井涌水監(jiān)測(cè)

礦井涌水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著礦井開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大和開(kāi)采深度的增加，井下涌水量的觀測(cè)點(diǎn)也越來(lái)越多、分布愈加零散，涌水量的觀測(cè)任務(wù)日益嚴(yán)重?！傲魉賰x法”“堰測(cè)法”等傳統(tǒng)的水量測(cè)量方法工作量大、測(cè)量時(shí)間間隔長(zhǎng)、獲得的數(shù)據(jù)有限、人為誤差大。為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦研制了新型的礦井涌水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集水力學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信和傳感器測(cè)量等技術(shù)于一體，克服了原有水量傳統(tǒng)測(cè)量方法的諸多缺點(diǎn)，對(duì)于及時(shí)準(zhǔn)確地掌握地下水的動(dòng)態(tài)規(guī)律和有針對(duì)性地開(kāi)展防治水工作具有重要的意義。

礦井涌水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分級(jí)分布式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，包括井下測(cè)量系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩大部分。在每個(gè)測(cè)水點(diǎn)，傳感器采集兩路水流的信息（水頭高度、水底深度），再通過(guò)液位流量計(jì)進(jìn)行處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入監(jiān)測(cè)分站，監(jiān)測(cè)分站與地面的計(jì)算機(jī)為單向數(shù)據(jù)傳輸，并且轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入水文站微機(jī)的接口，水文站微機(jī)從接口采集井下水流的信息，然后進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析處理，還能夠由打印機(jī)打印出豐富實(shí)用的曲線和報(bào)表。

此項(xiàng)成果的擴(kuò)容性好，可以在井下大面積范圍內(nèi)進(jìn)行涌水量的實(shí)時(shí)同步觀測(cè)；可以根據(jù)需要按照任意的時(shí)間密度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，使得涌水量的觀測(cè)曲線更加趨于真實(shí)狀態(tài)；可以利用井下已有的通訊線路，無(wú)需單獨(dú)敷線；減輕了水文測(cè)量的工作量，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)水文資料管理的科學(xué)化和系統(tǒng)化。

礦井涌水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)完備的礦井涌水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)在兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦投入使用。整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理，其中的KGC2型自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控終端機(jī)的數(shù)據(jù)收集和處理，從而完成對(duì)整個(gè)礦井涌水量的連續(xù)監(jiān)測(cè)；終端機(jī)采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的KGC3型自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水位和沉泥位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇多種標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸出或者通過(guò)其串口進(jìn)行串行通信，另外還可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)獨(dú)立測(cè)量以及輸出顯示。

涌水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)功能有：監(jiān)測(cè)礦井井下涌水量的大?。辉较薜臅r(shí)候進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警以及報(bào)警記錄的顯示查詢、報(bào)表打印等；系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄以及歷史記錄的查詢打印等；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表、變化趨勢(shì)曲線的自動(dòng)生成以及打?。蝗藱C(jī)界面友好，具有幫助、提示等輔助功能。

由于一般在礦井下順?biāo)壑谐聊嗔康淖兓徛?，而水位（即水頭高度）的變化比較快，因此在對(duì)順?biāo)塾克窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，采取了對(duì)水位測(cè)量間隔時(shí)間短而對(duì)沉泥位測(cè)量間隔時(shí)間長(zhǎng)的辦法。經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行，證明可以很好地反映實(shí)際情況。

監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)在礦井水害治理中的應(yīng)用

迄今為止，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所屬南屯煤礦、北宿煤礦等8對(duì)礦井均安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，并在本礦聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上又實(shí)現(xiàn)了與兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的聯(lián)網(wǎng)，相關(guān)部門都能夠看到監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)。

實(shí)踐表明，監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用全面提高了礦井的安全管理水平。在礦井水害治理方面，生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)功能使監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到水倉(cāng)水位及各種機(jī)電設(shè)備開(kāi)停等。這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到調(diào)度臺(tái)，使調(diào)度人員能夠隨時(shí)看到有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)監(jiān)測(cè)各水倉(cāng)水位及時(shí)調(diào)度排水。礦井各重要水倉(cāng)均安設(shè)水位傳感器及水泵開(kāi)停傳感器。這些傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)分站和監(jiān)測(cè)線路傳到地面監(jiān)測(cè)主機(jī)，再通過(guò)礦局域網(wǎng)傳到調(diào)度臺(tái)。調(diào)度員通過(guò)聯(lián)網(wǎng)微機(jī)能夠清楚看到井下各水倉(cāng)的水位情況及水泵開(kāi)停，根據(jù)水倉(cāng)水位調(diào)度排水，同時(shí)通過(guò)查看水位及水泵的歷史記錄分析變化趨勢(shì)，出現(xiàn)排水事故時(shí)可以作為分析依據(jù)。例如，北宿煤礦采用傳感器監(jiān)測(cè)井下水倉(cāng)水位、水泵入口真空度及出口壓力、電動(dòng)機(jī)工作電流等參數(shù)，并利用可編程序控制器根據(jù)水倉(cāng)水位的高低和連續(xù)開(kāi)機(jī)次數(shù)累加等條件自動(dòng)控制3臺(tái)泵的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)輪換啟動(dòng)、故障報(bào)警和停機(jī)。

礦井水害防治與治理研究

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司不僅在綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)的研究方面得到了快速發(fā)展，而且在礦井水的防治等方面也有了顯著的發(fā)展和提高，并且?guī)?dòng)了相關(guān)專業(yè)以及安全保障技術(shù)的發(fā)展，形成了比較完整的厚煤層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)體系以及安全保障體系。

兗州礦區(qū)的礦井水防治技術(shù)

一是認(rèn)真研究在新的巷道布置條件下礦井的排放水系統(tǒng)，這是在大量取消巖石巷道而采用煤巷布置的情況下，給工作面的排放水工作帶來(lái)的新課題。兗州礦區(qū)原來(lái)的布置方式可以直接通過(guò)鉆孔使順槽與其下部的巖石巷道聯(lián)通，取消巖石巷道以后則只能夠在順槽內(nèi)通過(guò)水泵和排水管路排水，因而必需完善工作面的排水系統(tǒng)，按照預(yù)計(jì)最大涌水量的1.5～2倍配備排水能力，保證來(lái)水能夠排得出去。另外，在采區(qū)巷道設(shè)計(jì)的時(shí)候也必須充分地考慮到排水的要求，采區(qū)的邊界巷和必要的泄水巷要給予保留，以便在工作面的最低洼處能夠施工排水鉆孔。

二是堅(jiān)持水害的定期排查制度，對(duì)礦井的水害情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。對(duì)于防治水害的重點(diǎn)區(qū)域，采用瞬變電磁儀從地面探測(cè)礦井水和用音頻電透儀從井下探測(cè)礦井水的方法。對(duì)于富水區(qū)則打鉆進(jìn)行超前探險(xiǎn)放水。對(duì)預(yù)計(jì)涌水量比較大或者提高開(kāi)采上限的工作面則布置了專門的匯水巷道進(jìn)行排水。

通過(guò)含水層的水化學(xué)特征判別水源

礦井突水和淋水惡化了井下的工作條件，影響了礦井的正常安全生產(chǎn)，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司北宿煤礦在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生過(guò)3次突水事故。為此，他們根據(jù)大量的地下水化學(xué)資料，詳細(xì)地分析了該礦各個(gè)含水層的水文地球化學(xué)特征，揭示了各個(gè)含水層的補(bǔ)、徑、排條件及其對(duì)煤礦充水的意義，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

鑒于煤礦各個(gè)含水層的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件不同，地下水的補(bǔ)、徑、排條件和水文地球化學(xué)作用過(guò)程不同，因此其化學(xué)成分有著明顯的差異性，通過(guò)對(duì)井下出水點(diǎn)化學(xué)特性的分析研究，可以判別突水水源以及充水程度，以便采取有效的防治水措施。

礦區(qū)水害治理實(shí)踐

礦井突水的綜合治理

山東武所屯生建煤礦在井下主要大巷——東翼延深膠帶大巷開(kāi)拓的過(guò)程中,于一背斜構(gòu)造的軸部附近發(fā)生了突水險(xiǎn)情，后來(lái)由兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司楊村煤礦派出搶險(xiǎn)人員前往成功地進(jìn)行了治理。

為了確保在迎頭出水治理的時(shí)候不會(huì)在后面再出現(xiàn)新的出水點(diǎn)，楊村煤礦派出搶救隊(duì)伍決定進(jìn)行底板改造，消除十二灰再突水的通道。由于出水點(diǎn)處距十二灰太近，僅有1 m厚而且凈水壓在0.5～1 MPa，采用加設(shè)擋水墻治理迎頭活水最有效，其他方法均不可靠或者工期長(zhǎng)。為了確保擋水墻達(dá)到技術(shù)要求，必須對(duì)住副墻的夾縫進(jìn)行注漿。實(shí)踐過(guò)程中，因?yàn)閱我郝{嚴(yán)重故而改用水泥水玻璃雙液注漿，終壓為3 MPa，滿足了施工的要求。迎頭采用濃度為1.5的水泥漿單液注漿。先從墻體預(yù)設(shè)排水管中注入（排水管上均安裝有高壓閥門），在注入水泥約5 t的時(shí)候，墻體的一側(cè)有清水滲出時(shí)停注（墻體圍巖為砂質(zhì)泥巖），改由4#鉆孔中注入。為了檢查施工的質(zhì)量，在迎頭墻體的位置處又施工了5#、6#（檢查孔）。5#孔長(zhǎng)度為25 m，已經(jīng)穿過(guò)迎頭16 m，鉆孔內(nèi)無(wú)水；6#孔穿過(guò)擋水墻進(jìn)入已經(jīng)封住的迎頭，鉆孔內(nèi)亦無(wú)水，均說(shuō)明達(dá)到了對(duì)山東武所屯生建煤礦井下突水的治理效果。

北宿煤礦疏放唐村煤礦積水工程系統(tǒng)優(yōu)化

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司唐村煤礦關(guān)井閉坑以后，其老空水將通過(guò)各種途徑向相鄰礦井滲漏。當(dāng)水位較低時(shí)，主要向北宿煤礦的五采區(qū)擴(kuò)大區(qū)滲漏，滲漏方式主要為邊界煤巖柱的透水層。由于唐村煤礦不再保留排水系統(tǒng)，其老空水由北宿煤礦井下疏放，并由北宿煤礦的主排水系統(tǒng)排出。鑒于北宿煤礦排水系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足此要求，他們對(duì)礦井疏放及排水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

北宿煤礦-290水平的正常涌水量為75 m3/h，加上唐村煤礦的疏放水量約為150 m3/h。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“正常涌水量在1 000 m3/h以下時(shí)，井下主要水倉(cāng)的有效容量應(yīng)當(dāng)能容納8h的正常涌水量”這一要求，對(duì)礦井的排水能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)以后，認(rèn)為由于增加了唐村煤礦老空積水，北宿煤礦原有的-290中央水倉(cāng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)有排水量的要求。

因此，北宿煤礦在原有-290水倉(cāng)外新建了1個(gè)環(huán)水倉(cāng)，工程量為200 m，容積為1 200 m3。同時(shí)，對(duì)-290中央水倉(cāng)的水泵和排水管路進(jìn)行了更換，水泵由原來(lái)的150D30×4型更換為200D43×3型，排水管路由原來(lái)的194 mm更換為219 mm，滿足了礦井排水的要求。

煤礦直通放水孔的研究實(shí)踐

山東煤田地質(zhì)局和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司興隆莊煤礦開(kāi)展了直通放水孔施工方法的研究與實(shí)踐，通過(guò)對(duì)第三含水層的放水實(shí)驗(yàn)，為煤礦井下疏水降壓的可行性研究提供了科學(xué)的水文資料。

兗州煤田屬于隱蔽型煤田，其西、北部煤系地層露頭普遍被巨厚的第四系松散層覆蓋著。第四系松散層按照含水性和隔水性可以分為3個(gè)含水層和2個(gè)隔水層，底部含水層即第三含水層直接和煤系地層接觸，因此在礦井設(shè)計(jì)的時(shí)候預(yù)留了尺寸比較大的防水煤柱。為了解放水體下的壓煤和變防水煤柱為防砂煤柱，從而進(jìn)一步開(kāi)采淺部的煤層，就必須準(zhǔn)確地掌握第三含水層的賦水條件，并且進(jìn)行疏水降壓的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

該工程的主要技術(shù)措施是鉆進(jìn)及擴(kuò)孔的時(shí)候均采用鉆鋌加壓，分級(jí)擴(kuò)孔的時(shí)候使用導(dǎo)向鉆具并且采取扶正措施；由下向上實(shí)行基巖止水、基巖-第四系界面止水、第三含水層上部止水；第三含水層與孔內(nèi)過(guò)水通道的通暢程度直接影響到放水試驗(yàn)的質(zhì)量和所取得水文資料的可信程度，所以在放水之前進(jìn)行了較為細(xì)致的沖孔工作；3次降深抽水試驗(yàn)完成以后即可以下堵水塞；根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算出鉆孔的偏斜位置，通過(guò)在井下巷道的開(kāi)挖，找到下放的套管并且將放水閥門、管線和儀表聯(lián)接好以后，即可進(jìn)行放水試驗(yàn)；控制過(guò)水通道的開(kāi)度就能夠控制放水流量的大小。

此項(xiàng)工程有3個(gè)難點(diǎn)：為了便于井下開(kāi)挖找孔和安裝放水管線以及設(shè)備，鉆孔的終孔靶點(diǎn)必須位于預(yù)計(jì)的靶區(qū)范圍以內(nèi)，所以要求鉆孔的偏斜度很小；各個(gè)部位的止水必須一次性成功，第三含水層處的花管和濾網(wǎng)過(guò)水通道必須暢通；向井下放水的通道需要在地面準(zhǔn)確及時(shí)地啟用，并且能夠控制放水流量的大小。

通過(guò)實(shí)踐得出結(jié)論，孔內(nèi)的花管及濾網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具有強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、孔隙大等特點(diǎn)，才能夠滿足大流量、長(zhǎng)時(shí)間放水的需要。