兗礦開展水害監測與治理實踐

文/李劍峰

為保障采礦安全，防止水害發生，兗州礦業（集團）有限責任公司對多個下屬煤礦水害方面存在的問題進行研究與分析，并與科研單位積極開展技術攻關，通過實踐治理，有效保障了礦井開采安全。

井下安全查崗 楊濤/攝

在煤礦建設和生產的過程中，各種類型的水源水會通過不同的途徑進入到井下巷道和工作面。為了保證采礦的安全、防止水害的發生，就需要將礦井的涌水向外排出。據不完全統計，目前全國煤礦礦井水排放量約為42億m3，約占整個采礦業（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（集團）有限責任公司下屬多個煤礦對治理礦井水害方面存在的問題進行認真分析，積極應用當前已有的適用新技術，并與有關單位共同開展科技攻關，有效地保障了礦井開采的安全。

礦井涌水監測

礦井涌水量動態監測系統

隨著礦井開采范圍的不斷擴大和開采深度的增加，井下涌水量的觀測點也越來越多、分布愈加零散，涌水量的觀測任務日益嚴重。“流速儀法”“堰測法”等傳統的水量測量方法工作量大、測量時間間隔長、獲得的數據有限、人為誤差大。為此，中國礦業大學和兗州礦業（集團）公司南屯煤礦研制了新型的礦井涌水量動態監測系統，集水力學、計算機、通信和傳感器測量等技術于一體，克服了原有水量傳統測量方法的諸多缺點，對于及時準確地掌握地下水的動態規律和有針對性地開展防治水工作具有重要的意義。

礦井涌水量動態監測系統采用分級分布式計算機結構，包括井下測量系統和地面數據處理系統兩大部分。在每個測水點，傳感器采集兩路水流的信息（水頭高度、水底深度），再通過液位流量計進行處理，將信號轉換成電信號送入監測分站，監測分站與地面的計算機為單向數據傳輸，并且轉換成標準信號送入水文站微機的接口，水文站微機從接口采集井下水流的信息，然后進行顯示、存儲和統計分析處理，還能夠由打印機打印出豐富實用的曲線和報表。

此項成果的擴容性好，可以在井下大面積范圍內進行涌水量的實時同步觀測；可以根據需要按照任意的時間密度進行連續觀測，使得涌水量的觀測曲線更加趨于真實狀態；可以利用井下已有的通訊線路，無需單獨敷線；減輕了水文測量的工作量，實現了監測點水文資料管理的科學化和系統化。

礦井涌水量自動監測系統

由中國礦業大學開發的先進完備的礦井涌水量自動監測系統，已經在兗州礦業（集團）公司南屯煤礦投入使用。整個系統技術先進、設計合理，其中的KGC2型自動監測裝置達到國內領先、國際先進水平。

該系統實現了對各個實時監控終端機的數據收集和處理，從而完成對整個礦井涌水量的連續監測；終端機采用單片機開發的KGC3型自動監測裝置，主要是實現對現場水位和沉泥位的自動監測，可以根據現場的實際情況選擇多種標準模擬量輸出或者通過其串口進行串行通信，另外還可以實現單機獨立測量以及輸出顯示。

涌水量自動監測系統可以實現的實時功能有：監測礦井井下涌水量的大??；越限的時候進行實時報警以及報警記錄的顯示查詢、報表打印等；系統參數的設置；監測數據的自動記錄以及歷史記錄的查詢打印等；監測數據報表、變化趨勢曲線的自動生成以及打?。蝗藱C界面友好，具有幫助、提示等輔助功能。

由于一般在礦井下順水槽中沉泥量的變化緩慢，而水位（即水頭高度）的變化比較快，因此在對順水槽涌水量進行監測的時候，采取了對水位測量間隔時間短而對沉泥位測量間隔時間長的辦法。經過在現場的實際運行，證明可以很好地反映實際情況。

監測監控技術在礦井水害治理中的應用

迄今為止，兗州礦業（集團）有限責任公司所屬南屯煤礦、北宿煤礦等8對礦井均安裝了安全監控系統，并在本礦聯網的基礎上又實現了與兗州礦業（集團）有限責任公司的聯網，相關部門都能夠看到監測監控系統的有關數據。

實踐表明，監測監控技術的應用全面提高了礦井的安全管理水平。在礦井水害治理方面，生產設備監測功能使監控系統可以監測到水倉水位及各種機電設備開停等。這些參數的監測通過網絡傳到調度臺，使調度人員能夠隨時看到有關設備的運行情況，通過監測各水倉水位及時調度排水。礦井各重要水倉均安設水位傳感器及水泵開停傳感器。這些傳感器通過監測分站和監測線路傳到地面監測主機，再通過礦局域網傳到調度臺。調度員通過聯網微機能夠清楚看到井下各水倉的水位情況及水泵開停，根據水倉水位調度排水，同時通過查看水位及水泵的歷史記錄分析變化趨勢，出現排水事故時可以作為分析依據。例如，北宿煤礦采用傳感器監測井下水倉水位、水泵入口真空度及出口壓力、電動機工作電流等參數，并利用可編程序控制器根據水倉水位的高低和連續開機次數累加等條件自動控制3臺泵的啟動和停止，實現輪換啟動、故障報警和停機。

礦井水害防治與治理研究

兗州礦業（集團）有限責任公司不僅在綜合機械化放頂煤開采技術的研究方面得到了快速發展，而且在礦井水的防治等方面也有了顯著的發展和提高，并且帶動了相關專業以及安全保障技術的發展，形成了比較完整的厚煤層綜合機械化放頂煤開采技術體系以及安全保障體系。

兗州礦區的礦井水防治技術

一是認真研究在新的巷道布置條件下礦井的排放水系統，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的新課題。兗州礦區原來的布置方式可以直接通過鉆孔使順槽與其下部的巖石巷道聯通，取消巖石巷道以后則只能夠在順槽內通過水泵和排水管路排水，因而必需完善工作面的排水系統，按照預計最大涌水量的1.5～2倍配備排水能力，保證來水能夠排得出去。另外，在采區巷道設計的時候也必須充分地考慮到排水的要求，采區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。

二是堅持水害的定期排查制度，對礦井的水害情況進行預測預報。對于防治水害的重點區域，采用瞬變電磁儀從地面探測礦井水和用音頻電透儀從井下探測礦井水的方法。對于富水區則打鉆進行超前探險放水。對預計涌水量比較大或者提高開采上限的工作面則布置了專門的匯水巷道進行排水。

通過含水層的水化學特征判別水源

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，兗州礦業（集團）公司北宿煤礦在開采過程中發生過3次突水事故。為此，他們根據大量的地下水化學資料，詳細地分析了該礦各個含水層的水文地球化學特征，揭示了各個含水層的補、徑、排條件及其對煤礦充水的意義，有力地保障了礦井的安全生產。

鑒于煤礦各個含水層的地質、水文地質條件不同，地下水的補、徑、排條件和水文地球化學作用過程不同，因此其化學成分有著明顯的差異性，通過對井下出水點化學特性的分析研究，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。

礦區水害治理實踐

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拓的過程中,于一背斜構造的軸部附近發生了突水險情，后來由兗州礦業（集團）公司楊村煤礦派出搶險人員前往成功地進行了治理。

為了確保在迎頭出水治理的時候不會在后面再出現新的出水點，楊村煤礦派出搶救隊伍決定進行底板改造，消除十二灰再突水的通道。由于出水點處距十二灰太近，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。為了確保擋水墻達到技術要求，必須對住副墻的夾縫進行注漿。實踐過程中，因為單液漏漿嚴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。先從墻體預設排水管中注入（排水管上均安裝有高壓閥門），在注入水泥約5 t的時候，墻體的一側有清水滲出時停注（墻體圍巖為砂質泥巖），改由4#鉆孔中注入。為了檢查施工的質量，在迎頭墻體的位置處又施工了5#、6#（檢查孔）。5#孔長度為25 m，已經穿過迎頭16 m，鉆孔內無水；6#孔穿過擋水墻進入已經封住的迎頭，鉆孔內亦無水，均說明達到了對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優化

兗州礦業（集團）公司唐村煤礦關井閉坑以后，其老空水將通過各種途徑向相鄰礦井滲漏。當水位較低時，主要向北宿煤礦的五采區擴大區滲漏，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，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排出。鑒于北宿煤礦排水系統已經不能夠滿足此要求，他們對礦井疏放及排水系統進行了設計優化。

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《煤礦安全規程》規定“正常涌水量在1 000 m3/h以下時，井下主要水倉的有效容量應當能容納8h的正常涌水量”這一要求，對礦井的排水能力進行了綜合評價以后，認為由于增加了唐村煤礦老空積水，北宿煤礦原有的-290中央水倉已經不能夠滿足現有排水量的要求。

因此，北宿煤礦在原有-290水倉外新建了1個環水倉，工程量為200 m，容積為1 200 m3。同時，對-290中央水倉的水泵和排水管路進行了更換，水泵由原來的150D30×4型更換為200D43×3型，排水管路由原來的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踐

山東煤田地質局和兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦開展了直通放水孔施工方法的研究與實踐，通過對第三含水層的放水實驗，為煤礦井下疏水降壓的可行性研究提供了科學的水文資料。

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個含水層和2個隔水層，底部含水層即第三含水層直接和煤系地層接觸，因此在礦井設計的時候預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，從而進一步開采淺部的煤層，就必須準確地掌握第三含水層的賦水條件，并且進行疏水降壓的準確預測。

該工程的主要技術措施是鉆進及擴孔的時候均采用鉆鋌加壓，分級擴孔的時候使用導向鉆具并且采取扶正措施；由下向上實行基巖止水、基巖-第四系界面止水、第三含水層上部止水；第三含水層與孔內過水通道的通暢程度直接影響到放水試驗的質量和所取得水文資料的可信程度，所以在放水之前進行了較為細致的沖孔工作；3次降深抽水試驗完成以后即可以下堵水塞；根據測井資料計算出鉆孔的偏斜位置，通過在井下巷道的開挖，找到下放的套管并且將放水閥門、管線和儀表聯接好以后，即可進行放水試驗；控制過水通道的開度就能夠控制放水流量的大小。

此項工程有3個難點：為了便于井下開挖找孔和安裝放水管線以及設備，鉆孔的終孔靶點必須位于預計的靶區范圍以內，所以要求鉆孔的偏斜度很??；各個部位的止水必須一次性成功，第三含水層處的花管和濾網過水通道必須暢通；向井下放水的通道需要在地面準確及時地啟用，并且能夠控制放水流量的大小。

通過實踐得出結論，孔內的花管及濾網應當具有強度高、壽命長、孔隙大等特點，才能夠滿足大流量、長時間放水的需要。