相鄰關閉礦井的礦井水處置技術方法及實施方案

屈子明

（開灤勘察設計有限公司，河北 唐山 063018）

1 概 況

按照相關政策要求，開灤集團古冶區域的趙各莊、林西礦將實施關閉退出，再加上于2001 年已經關閉的唐家莊礦，古冶區區域共有3 座關閉或臨近關閉的大型礦井，這些礦井留下的大量采空區及井下巷道，將集聚大量積水。當關閉趙各莊礦后，礦井積水至-570 m 標高位置時，將有22.45～30 m3/min 水量流入林西礦，對林西礦產生巨大影響。當關閉林西礦后，林西礦積水至-500 m 標高位置時，林西礦及趙各莊礦井下積水會通過相互聯通的采空區流入與林西礦相鄰的呂家坨礦，相鄰礦井位置如圖1 所示。為確保林西礦、呂家坨礦的安全生產，對趙各莊礦、林西礦閉井后礦井水進行科學合理處置，預防發生重大水災事故。

圖1 相鄰礦井位置示意Fig.1 Adjacent mines location

2 唐家莊礦井水處置設計

唐家莊礦于2001 年關閉，總涌水量為26.2 m3/min，其中有10 m3/min 礦井水來自徐家樓井，排放礦井水至今，年排水費用多達1 600 萬元。徐家樓區域與老區域之間因為存在徐Ⅰ、徐Ⅱ等大斷層組（2 個斷層均為正斷層，落差分別為197 m、160 m），形成2 個區域煤層不連續，采空區不連通，但有2 條巷道（4129 正、副巷） 將盆地丙與徐家樓區域連通，連通情況如圖2 所示。如果由地面施工鉆孔對井下4129 巷道進行封堵以起到對徐家樓礦井水隔絕作用，使徐家樓礦井形成1 個獨立的積水區，剩余16.2 m3/min 礦井水利用改造后的排水系統排放，每年可節約大量費用。

圖2 唐家莊礦各盆地連通情況示意Fig.2 Connection of Basins in Tangjiazhuang Mine

唐家莊礦井水處置方案為先期截堵徐家樓4129 巷道，在徐家樓新井井筒內安設2 臺BQ500-240/6-500-S 型潛水泵，額定流量10.0 m3/min，使徐家樓區域與盆地丙區域水壓平衡，4129 巷道內涌水流動性處于相對靜止狀態。依托現有可利用的4129 兩條巷道及原已建造的水閘墻，綜合運用地面鉆探、注漿技術，使井下4129 兩條巷道各形成一定長度和強度的充填阻水帶，使徐家樓礦井區域形成1 個獨立的積水區。

后期改造排水系統排放剩余16.2 m3/min 礦井水。利用現有井下-177 m 水平排水系統繼續排放剩余的礦井水，并對井下通風系統進行簡化改造，精簡排水人員配置。待注漿截斷林呂邊界水力聯系工程完成后，將剩余的礦井水下放林西礦，停止排水作業。

3 保林西礦安全開采趙各莊礦排水設計

趙各莊礦關閉后，根據趙林邊界采掘、煤柱留設、地質、水文等資料的研究，趙各莊礦井水淹至-570 m 位置以上時，如果不采取排放措施，將有22.45~30 m3/min 水量流入林西礦，將對林西礦產生巨大影響。林西礦現有排水系統僅能排放該礦現有礦井水，排水系統沒有富余排水能力，為了保證林西礦安全生產，需對趙各莊礦關閉后的礦井水進行處置。

3.1 趙各莊礦排水系統及涌水概況

礦井各水平的涌水通過各自的水平巷道集中于井底車場，直接進入水倉或沿馬路眼、斜井下放，再分級上排，分別集中于4、7、10、12、13 和14水平水倉，1、2、3 水平的涌水下放到4 水平，最終由4、7 兩個水平泵房直排地表，礦井排水系統如圖3 所示。根據趙各莊礦井涌水觀測，當水淹沒到8 水平時，8 水平及以下礦井涌水量為12.8～13.6 m3/min，淹沒到-570 m，涌水量為11.6 m3/min。

圖3 趙各莊礦井排水系統示意Fig.3 Mine drainage system in Zhaogezhuang Mine

3.2 排水設計

保林西礦安全開采主要有在林西礦排水和在趙各莊礦排水2 個方案可供選擇。

3.2.1 在林西礦排水方案

如果趙各莊礦停止排水，當礦井淹沒到-570 m 以上時，涌水將滲漏到林西礦9 水平。而林西礦9 水平泵房排水能力已達上限，如果再增加趙各莊礦的涌水量，需要對9 水平泵房水倉進行擴容改造，根據現有資料，無法準確分析出趙各莊礦井淹沒至-570 m 以上時，涌水滲漏到林西礦的滲漏通道及滲漏量，有可能22.45～30 m3/min 全部滲漏到林西礦9 水平，這是最理想狀態；也有可能部分礦井水滲漏到林西礦9 水平，部分礦井水滯留在趙各莊井下，當水位達到一定位置時，突發涌入林西礦，發生災難性的后果。為了解決以上問題，提出從林西礦9～10 水平（-600 m） 新掘巷道與趙各莊8 水平掘透，把趙各莊礦井水引到林西礦，把趙各莊井下巷道作為超大水倉，在林西9～10 水平布置正壓泵房，從林西6 號井布置排水管路直排地面。

該方案解決了滲漏通道不清、滲漏量不定、安全無保障的問題，變不定因素為確定因素，但存在嚴重的高水低排問題，排水電費大幅增加，原來可以從趙各莊4 水平（-288 m）、7 水平（-550 m）直排地面的水全部下放林西礦9～10 水平（-600 m） 排放。另外新掘聯通趙各莊礦8 水平與林西礦的巷道，屬于越界開采范疇。

根據以上分析在林西礦排水方案不可行。

3.2.2 在趙各莊礦排水方案

根據趙各莊礦現有排水系統和需控制的排水標高初步確定4 個方案：①在趙各莊礦地面使用潛水泵排水方案；②保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安設潛水泵排水方案；③保留4、7 水平泵房，在8 水平安設臥泵排水方案；④13、14 水平停止排水，保留12 水平以上泵房排水方案。

方案1 在地面使用潛水泵排水，需要8 水平（-646 m） 直通地面的井筒，而趙各莊直通地面最深的井筒是038 風井（地面至7 水平），如果把038 風井作為潛水泵排水井，需要新掘90 m 井筒，井筒延伸到8 水平時井底距奧灰水較近，小于安全距離，故該方案為不可行方案。

方案2～4 技術上均可行，通過經濟比較，方案2 投資凈現值最少，方案技術可行，經濟合理。即采用保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安設潛水泵排水方案。

趙各莊礦關井后對趙各莊礦排水系統、運輸系統、通風系統進行改造以適應關井后排水、上下人員、設備及通風；同時為了減少礦井涌水量，對一些涌水點進行封堵；4、7 水平泵房內的老舊水泵、開關及管路根據需要進行更換。

4 保呂家坨礦安全開采截排水設計

趙各莊礦停止排水并淹至-570 m 位置后，預計將有26 m3/min 水量涌入林西礦；林西礦停止排水并淹至-500 m 位置后，預計將有22.58 m3/min水量涌入呂家坨礦；當唐家莊礦、趙各莊礦、林西礦都停止排水并淹至-500 m 位置通后，預計將有48.58 m3/min 左右水量涌入呂家坨礦。

保呂家坨礦安全開采主要有3 個方案，即截水方案、潛水泵排水方案以及臥泵排水方案。

4.1 注漿截斷林呂邊界水力聯系方案

林西礦關閉后，如果不繼續排水，就必須對林西礦與呂家坨礦之間邊界保護煤柱進行注漿加固，形成完整的堵水體系，才能保證呂家坨礦將來生產的安全。因此，在林西礦、呂家坨礦邊界線對應地面上施工注漿鉆孔，進行注漿加固邊界保護煤柱的方案，來保證呂家坨礦將來礦井安全生產。

注漿堵水加固治理范圍南北長約1.5 km，東西寬60 m，面積約167 768 m2，高度由5 煤層以上80 m 到9 煤層或12 煤層底板（即主采煤層底板）位置，平均高度140 m。在2 個礦的邊界附近與古范鐵路線之間，布置注漿鉆孔，由北向南，由深部到淺部，對采煤形成的冒落帶、裂隙帶以及煤層地層的原生裂隙進行注漿充填與加固，在兩礦邊界帶形成完整的注漿堵水的帷幕墻，阻斷林西礦與呂家坨礦之間的水力聯系。根據現場勘查結果，施工區域中間部分受到地面工廠限制，無法布置鉆孔，要考慮施工定向鉆孔。鉆孔鉆探進尺合計約72 540 m，累計注漿量約301 690 m3。

4.2 潛水泵排水方案

在林西礦6 號井（上井口標高為41.6 m，井底標高為-709.3 m，井筒深度為750.9 m,井筒直徑為A7.8 m） 和趙各莊礦038 風井（上井口標高為52 m，井底標高為-552.9 m，井筒深度為604.9 m，井筒直徑為A6 m） 井筒內分別安設潛水泵，擔負排放趙各莊礦、林西礦全部礦井水，水位保持在-500 m 以下，來保證呂家坨礦生產安全。

根據調研，國內有相關礦井采用潛水泵作為井下永久泵房排水泵使用。此外，關井后，礦井水質變好，由原來的渾水變為清水，更有利于潛水泵排水。

4.3 臥泵排水方案

根據呂家坨礦、林西礦邊界煤柱情況，林西礦關井后，礦井涌水從-500 m 左右的位置流入呂家坨礦井下，而林西礦8 水平標高為-450 m，9 水平為-570 m。林西礦排水必須保持在-500 m 以下，才能保證呂家坨礦的安全生產，所以排水水泵房定在9 水平，即9 水平以下淹井，9 水平以上維持正常通風、排水。因此該方案是在保留林西礦4、6、8 水平泵房的基礎上新建9 水平泵房排水系統，趙各莊礦、林西礦全部礦井水，水位保持在林西礦9水平，來保證呂家坨礦生產安全。

4.4 方案比較及確定

對上述3 個方案優缺點進行比較，見表1。

表1 方案優缺點對比Table1 Comparison of advantages and disadvantages of the plan

對3 個方案工程費用和年運行費用進行比較，各方案凈現值大小排序為，方案Ⅰ< 方案Ⅱ< 方案Ⅲ。

從3 個方案的優缺點和工程凈現值比較中可以看出：

（1） 方案Ⅲ工程費用及年運行費用最高，而且需要人員上下井，存在一定的安全管理問題，與方案Ⅰ和方案Ⅱ相比明顯處于劣勢，不再作為推薦方案。

（2） 方案Ⅰ可以徹底截斷林西礦與呂家坨礦的水力聯系，消除礦井保護煤柱失效這一重大安全隱患，可以提高古冶區域地下水水位，對保護和利用地下水資源極為有利，而且經濟效果好，但一次性投入過高，尤其是其截水效果有一定的不確定性，不能保證萬無一失，安全風險較大。

（3） 方案Ⅱ可以充分利用趙各莊礦和林西礦的現有井筒安設潛水泵，保證將水位控制在相鄰礦井水力聯系通道標高以下，同時可利用井下巷道和采空區形成的超大“水倉”躲峰填谷，降低排水電費，礦井水還可以繼續供給現有用戶，但因排水高度較大，年運行費用較高，并且因呂家坨礦服務年限較長，總的運行費用高。

方案Ⅰ和方案Ⅱ，都有不盡人意的地方，推薦采取方案Ⅰ和方案Ⅱ相結合的方式，即前期先按照方案Ⅱ實施，將潛水泵設置至-500 m 以下，逐步提高水位，摸清林呂邊界水力聯系，再有針對性地對林呂邊界由下至上實施方案Ⅰ，徹底截斷林呂邊界水力聯系或根據取水需求確定需要截堵林呂邊界水力聯系標高，潛水泵可以繼續為用戶供水，變負擔為資源，繼續履行林西礦、唐家莊礦與地面其他工業企業用戶供水協議。

5 結 語

目前唐家莊礦、趙各莊礦已按設計方案實施，達到了設計預期效果。對關閉礦井的礦井水進行主動封堵，解決其對相鄰生產礦井的潛在威脅，形成了以預防為主，提前注漿封堵，截排相結合的防治水技術體系，實現呂家坨礦不受其相鄰關閉礦井水災害威脅。關閉礦井采空區注漿堵水技術不但達到了封堵水目的，還可以提高該地區地下水位，在一定程度上減緩了礦區地面沉降，保護該區域地下水資源。該項目實施后對開灤集團所屬礦井具有重要指導意義，為其他礦區類似問題提供參考。