煤礦井下排水防治與技術探討

翟封

摘 要：隨著煤礦不斷的向深層處發展，地質災害變得更為復雜，其中水災害最為常見。本文對礦井下的地下水的產生及其特點進行分析，并介紹了幾種常見的地下水防治方式，最后結合趙官煤礦某一井田進行了專門分析，結果表明采用突水預測技術能夠取得較好的效果。

關鍵詞：地下煤礦；井水作業；排水防治；水害防治

1 引言

隨著煤礦的不斷開采，當煤礦進行到幾百米甚至上千米的深部地下時[1]，其巖體長期在高應力、高溫高壓及強滲透作用下，其巖土的力學性質發生了根本性的變化，主要表現為巖體軟化和非線性發展，碎脹以及擴容現象，地下水增多。這些自然地質災害都嚴重的威脅著煤礦的安全生產運行。在這些復雜因素中，其最為重要的就是地下水的處理，特別是在一些地下水豐富的地區，井下排水工作顯得更加迫在眉睫。因此需要不斷地總結工程經驗，找到水災發生的自然規律，最大限度的消除地下水對礦井的影響。雖然傳統的防水治水措施的研究很多，但都是基于頂板和底板的地質條件和水文地質狀況。對于含有特殊含水層的地質災害下的防治研究甚少，也沒有形成專門的防治系統。本文通過結合地下水的災害分析和新技術對煤礦排水技術進行探討。

2 井下水害形成及特點分析

井下水來源兇猛，俗稱水老虎。其形成原因復雜，很難進行全面的認識，工程中常見的水害形成有如下幾種[2]：

2.1礦壓破壞帶引發的水質災害。其主要成因是在煤層底部在開采過程中，容易造成其中的導水帶破壞，因而那些因開采造成錯動的巖土失去了止水功能，最終導致滲流破壞，使得較小的裂縫最終發展成較大的斷裂帶，甚至形成特定的導水通道，因而導致了突水事故發生。

2.2不良施工引發的水害。在煤礦進行地下生產時，通常采用鉆孔法進行施工，容易留下點狀的垂直導水通道。這類導水通道隱蔽性強，垂直導水時滲透速率快，因此很容易造成大的滲透破壞。其主要原因為不同層位之間發生水力關聯，當采礦過程接近鉆孔的時，造成突發性水害，危害性大。這種地下水害一旦發生，就會造成較大的水頭壓力，并且通道內補水十分迅速，對水害的防治和搶救帶來巨大的壓力。

2.3老空區水害。在煤礦的不斷掘進中，存在著很多以前的老空區，這些老空區的存在是地下水防治的又一難題。由于在開采過程中，我們只關注煤炭的開采，卻忽視了開采后的處理，造成很多老窯區存在著大量積水。這些水主要存在于含水層、充水斷層和裂縫中，導致這些本就有地質缺陷的土體變得更為脆弱。一旦開挖后對其進行擾動，將會造成嚴重的地下水害。對于這種水害必須在開挖過程中加強對地質災害的勘測，認清礦井的積水線、探水線以及警戒線部分。

3 常見地下水治理方法

煤礦的地下排水方式眾多，從地下室的來源分可以分為外因法和內因法。通過查找相關文獻[3]，主要有如下幾種方法：

3.1疏干降壓法

疏干降壓是一種十分傳統的排水方式，即通過人工進行排水。可以有效的降低含水層水位與水壓，減少巷道的涌水量，防止井下突水的作業。其具體操作措施為：先確定煤層底板薄弱層，然后半定性定量的確定疏放的最佳位置，最后確定放水方法以及放水量。

3.2堵水截流法

此方法即通過調查來水的位置、埋深以及水的流向和有無支流等，然后通過截流的方法對地下水進行處理，能有效的阻止水量涌入巷道。具有一次性施工成功率高，對環境和地表影響小、堵水完畢后易于拆除等優點，適應于地下來水分明且有時間規律性的治理。

3.3突水預測技術

突水預測技術是一種相對新穎的方法，它是采用突水系數（單位隔水層厚度所能承受的水壓值）的臨界值來確定各處孔壓的大小。進而通過引入主成分分析法對底板突水影響因素進行定量評價，預測出底板發生突水的危險性，進而進行排水防治。

3.4水文地質探查法

水文地質法即通過收集和測量煤礦地區的自然地理、地貌和水文地質資料等，然后進行測繪點的規劃。然后根據水源分布情況，結合巖層地下水等信息，從主要含水層向排水渠進行補給，補給區向排水區布置。該方法具有操作簡單，治水效果好且節約材料等特點。

4具體案例分析

趙官煤礦位于山東省西北部，隸屬齊河縣[4]。本文以西南方向的某一井田進行分析，礦區所在地為一東北走向，西北傾向的單斜構造，平均地層傾角為5～8°，少部分地段的傾角大于10°，具體的水文地質和土體構造如圖1、2所示。

井田內富含有厚層隔水層，導致含水層和斷裂帶都缺乏天然的補給和排泄途徑，造成礦井深部的地下水不流暢。通過地質探測表明，含水層的水源往深部流暢，并且不斷變弱，但是同一含水層之間存在著水力聯系，并且不斷的從淺水區向深部擴展。由此可見，含水層的飽和水率和隔水帶的厚度和組合系數，宜采用突水系數預測法對其進行分析。

經過多年水位觀察資料可知，從2009年2月至2010年7月徐灰水位穩定在29.32～31m之間，而奧陶系中統石灰巖含水層水位則維持29.6～31.4m之間。可見這兩種水位相差不大，且總體來說隨著深度的增加而增大。且井田內平均水壓為5Mpa，52.3～8.7MPa之間，且隨著埋深的增加，水壓增強。但在南部地區水壓增加較小，而在北部區域則水壓增長很快，從而造成了深層水壓的等值線不平衡。通過統計得到底板滲流量和工作面的關系如表1所示。

根據《煤礦防治水規定》推薦的突水系數公式計算各采煤層底板最大突水系數為：

式中：Ts——底板突水系數（Mpa/m） P——隔水層承受的水壓（Mpa）

M——底板隔水層厚度（m）

經過計算，其中8-5，12-5，4-7，28-6，28-7等高于7Mpa，其余編號下的水壓在4～7Mpa之間。因此需要對底板的突水災害發生進行預測。底板突水危險性預測公式如下：

式中m、n、e、f分別為斷層標準化系數，水壓標準化系數，隔水層標準化，富水系數。

通過計算后發現8-1，8-2，8-4和補充號1、2中的突水系數高達0.9，其底板突水發生可能性很高，需要對這幾個區域的加以排水，疏水處理。降低底板的水壓，預先減少地下水災害發生的概率。

5 結語

地下水對煤礦井下最常見的自然災害，對煤礦的安全生產危害十分重大。隨著我國煤礦的不斷深入挖掘，地下水一直威脅著煤礦的發展。煤炭作為中國最主要的能源之一，因此必須采取相應的措施來保證地下礦井的安全生產和提高煤礦產煤的效率，杜絕重大安全事故的發生是每個煤炭工作者義不容辭的責任。因此在進行煤礦設計時，不僅要進行安全生產措施設計，更應該不斷地引進排水新技術，從技術上對減小威脅源，只有這樣才能促進我國煤礦生產工作的順利進展。

參考文獻：

[1]侯朝炯.深部巷道圍巖控制的關鍵技術研究[J].中國礦業大學學報，2017，（5）.

[2]朱南京，李百宜等.煤層為主含水層礦井水害防治技術研究[J].中國礦業，2017，（5）：83～87

[3]周國有.煤礦井下防治水技術與施工實踐，[J].企業導報，2013，（4）：189～191

[4]李娜娜.趙官煤礦下組煤底板突水預測及防治技術研究[D].山東科技大學，2011