開采下組煤礦井排水系統的設計與應用

摘要：文章以郭二莊煤礦為例，對開采下組煤礦井排水系統的設計與應用進行了探討。隨著礦井開采深度的逐年增加，水文地質條件均趨于復雜，防治水工作難度亦逐年加大。而利用現有排水系統工程或部分工程進行改造，不僅減少了建設工程的投資，加快了工程的建設，還能夠滿足礦井開采下組煤排水和設防的要求。

關鍵詞：煤礦開采；排水系統；生產礦井；防治水；組煤礦井 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD442 文章編號：1009-2374（2015）19-0167-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.083

1 項目背景

1.1 礦井概況

郭二莊煤礦二坑于1984年開始對該區的下組煤進行了勘探和設計，并做了大量水文地質和防治水工作。1986年完成《郭二莊煤礦-100m防排水工程初步設計》及批復，1988年進入-100m防排水工程實施階段。該防排水工程為正壓排水系統，設置于張二莊村莊煤柱內（一坑和二坑交界處），自一坑二水平軌道暗斜井-100m標高布置大巷至工程設計位置，由一坑擔負該排水工程的施工、運輸及維護，工程主要有-100運輸大巷、泵房、變電所、水倉、管子道、排水管子井及地面張二莊35kV變電站，該工程于1993年完工。

2002年，奧灰水水位持續下降至+65m左右，在不帶壓的基礎上，郭二莊煤礦二坑利用原有生產系統對+73m

以淺下組煤進行了試采，下組煤試采正式進入實施階段。

2008年開始，二坑進行了安全改造工程，在工業廣場內新建一混合井，混合井裝備主副兩套提升設備擔負煤炭及輔助提升任務，利用淺部的兩個小窯井筒并聯擔負回風任務，形成+73m、+20m運輸和回風系統。各系統設計下組煤開采排水系統設計選擇最為重要。

1.2 地質概況

井田內出露的地層自老至新依次有中奧陶統、石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組及第四系。井田內與開采下組煤有關的含水層，自下而上主要有中奧陶系灰巖、本溪灰巖、上石炭系大青灰巖、伏青灰巖。

開采下組煤影響最大的是含水層為中奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓含水層。中奧陶系灰巖總厚約600m，由于六段以角礫狀灰巖、角礫為主，泥質及白云質含量高，巖溶不發育，富水性微弱，厚度為31.03～66.72m，阻擋了下部灰巖的地下向礦井充水，因此與下組煤開采有關的直接或間接充水含水層層段為奧灰七段和八段。

奧灰第七段以深灰色厚層灰巖及花斑狀灰巖為主，平均厚度85.47m，富水性較強，巖溶發育。

近十幾年來，奧灰水位下降幅度較大，尤其自1997年以來，水位持續下降，由1997年的+140m降至2011年的+10m，年度恢復幅度僅為5～20m。主要原因是工農業取水量加大所至，并且這一過程將持續下去，奧灰水位將不會大幅度回升。

礦井開采井田-100m水平開采下組煤的主要充水水源為大青、伏青、本溪、奧陶系灰巖和巖漿巖裂隙含水層。

充水因素分析：根據下組煤地區水文地質條件，可以預計開采過程中存在以下三種礦井充水因素：

（1）-100m水平伏青、大青灰巖疏干涌水；（2）開采過程中本溪灰巖涌水，如斷層導水、開采底板涌水；（3）奧灰突水，如未封鉆孔、斷層、開采突水等。

-100m下組煤開采中正常涌水和最大涌水量由前兩項構成，設防水量主要由奧灰突水水量構成。

-100水平下組煤正常涌水量為264.8m3/h；不考慮奧灰突水的最大涌水量為339.1m3/h；奧灰水疏降到-100m水平時涌水量為1748m3/h；水平最大（設防）涌水量為2087.1m3/h。

2 排水方案

2.1 安全原則

下組煤開采防止底板突水是保證安全開采的關鍵，一旦突水，要保證不淹礦井、不傷人，將水患控制在最小范圍內，為此必須要有嚴格的安全技術措施，并認真執行是極為重要的。

首先要遵循下組煤的開采原則，即由淺至深、先易后難、循序漸進和選擇性開采。其次建立下組煤開采獨立的生產系統，分區隔離；治水方面，以防為主，堅持預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采的原則，采取防堵疏排截的綜合治理措施；帶壓開采，必要時輔以疏放；選擇恰當的采煤工藝，減少對底板的破壞深度；建立必要的礦井設防排水能力和可靠的防水設施；建立礦井抗災組織系統，明確避災路線，完善通風聯絡系統；定期對防排水設施維護等諸方面。

依據防治水工作的基本原則，重點應該放在以下四個方面：（1）分區隔離開采，減小突發水害事故的災害損失；（2）建立防排水系統，提升排水能力，建立應急預案，應對突發水害事故；（3）探治結合，探查煤層底板隱伏導水構造，注漿加固煤層底板薄弱區段，甚至全面改造煤層底板隔水層，防治底板突水；（4）優化堅硬頂板管理方式，減小采煤對底板隔水層的擾動破壞深度。

2.2 排水系統的設計

對于開采下組煤排水系統，可以在首采區的下部-100m標高新建防排水系統，但存在以下特點：（1）建設泵房、變電所、水倉等工程時無法疏放大青、伏青及巖漿巖裂隙含水層的水；（2）在工程地質條件上太原組地層巖性較差，遇水軟化膨脹，支護較困難，不適合施工大斷面硐室及水倉工程；（3）工程量比較大，新建泵房、通道及水倉需要1370m/1880m3，新建變電所及通道需要20m/640m3；（4）混合井井筒需要布置3趟Φ377排水管路，布置困難；（5）可以根據當前的排水設備進行最優的排水系統設計，可選潛水泵。

另外可以利用前期的強排系統，該系統存在以下特點：（1）該強排系統方案的設計、選址、文件的批復均已完成，并且施工了部分工程且項目質量保存良好；（2）剩余工程不多，在完成-100疏水巷（1019m）、水閘墻工程（15m），事故水倉（50m），進行泵房、變電所部分改造和安裝設備后即可服務于-100m水平下組煤的開采，其施工條件均已具備；（3）需要對泵房、變電所實際情況進行設備選型，設計上比較繁瑣。

綜合考慮-100水平另選址建設防排水系統是不合適的，利用原設計的-100m水平強排水工程，服務-100m水平下組煤開采是最佳選擇。與新建-100m排水系統工程相比，工程量減少306m/2520m3，估算工程建設可節約投資約683.7萬元。

2.3 泵房的設置

在-100m水平設置中央排水泵房，直接將礦井水通過管子道、管子井排至地面+214m。根據礦井提供正常涌水量（Qz=264.8m3/h），最大涌水量（Qd=439.1m3/h），設防涌水量（Qd=2087.1m3/h），排水高度（Hn=327.4m）等參數設計計算選擇布置有7臺MD500-57×6型水泵，正常涌水時1臺泵工作，最大涌水時2臺泵同時工作，設防涌水時6臺泵同時工作；布置3趟排水管，正常涌水量時，1趟工作，2趟備用；最大涌水時可1趟工作，也可2趟同時工作。6臺泵同時工作，3趟管路同時工作。

2.4 管路的設置

管路的設置既要滿足正常排水系統的要求，又要滿足突水時排水系統的要求。經計算選直徑為Φ377×11的無縫鋼管作為排水管路，共布置3趟排水管，正常涌水量時，1趟工作，2趟備用；最大涌水時可1趟工作，也可2趟同時工作。設防涌水時，3趟管路同時工作。

3 完成情況

礦井-100排水系統恢復于2010年開始實施，2011年投入運行，三年來系統運行狀況良好，沒有發生故障，確保了礦井排水設防的安全。主要關鍵點是：（1）下組煤開采防止底板突水是保證安全開采的關鍵，一旦突水，要保證不淹礦井、不傷人、將水患控制在最小范圍內，為此必須要有嚴格的安全技術措施，并認真執行是極為重要的；（2）建立獨立的生產系統：將一坑與二坑和二坑上下組煤系統之間隔離，設計采用水閘門和水閘墻隔離方式，在必要時封閉采區，保證不淹井、不影響一坑生產系統。一采區設計在+73m石門和軌道暗斜井處各設一道1.0MPa的平板水閘門。在-100m主石門設一道水閘墻，礦井一、二坑連通處均采用水閘墻封閉隔離；（3）利用原有下組煤排水工程建立-100m水平強排工程，根據-100m水平下組煤涌水量預計，本次設計-100m水平泵房排水能力按2087.1m3/h設防考慮。

4 結語

生產礦井有其特殊性，開采深度逐年增加，水文地質條件均趨于復雜，防治水工作難度亦逐年加大。而利用現有排水系統工程或部分工程進行改造，不僅減少了建設工程的投資，加快了工程的建設，而且能夠滿足礦井開采下組煤排水和設防的要求。本設計針對性和實用性較強。

參考文獻

[1]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[2]煤礦工業礦井設計規范（GB 50215-2005）[S].

[3]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

作者簡介：李曉寧（1980-），男，山東臨沂人，冀中能源邯礦集團設計工程部工程師，研究生，研究方向：煤礦

設計。

（責任編輯：王 波）