煤礦防治水管理體系的構建策略研究

于淑艷,段勝利,于淑靜

(1.河南地礦職業學院,河南 鄭州 450007;2.河南平煤神馬夏店煤業股份有限公司,河南 平頂山市 467544;3.中冶沈勘工程技術有限公司,遼寧 沈陽 110000)

0 引言

當前,在國家礦山安全監察局的有效監督管理下,礦井水害急劇下降[1]。由于淺層資源逐漸枯竭,礦山企業轉而開發深部資源。一般來說,礦山越深,水文地質條件越復雜,水害防治工作難度越大。在此情況下,部分礦區時有大型礦井突水災害發生。要徹底治理礦井水害,相關研究還有很長的路要走。總體來看,煤礦水害研究多集中在探查水文地質條件,礦井突水危險性理論計算和綜合評價,以及將上述研究成果作為基礎的礦井水害預防和治理技術等[2]。礦井水文地質條件探查和評價對于礦井水害預防有積極的作用,同時也是系統化、綜合化防治技術的基礎。因此,在全面探究水文地質條件的前提下,礦井水害預防以及治理是研究工作的主要目標,同時也是礦井安全開采以及礦區社區、經濟等發展的保障[3]。從實踐情況來看,受悠久開采歷史和經驗教訓的影響,煤礦水害防治已經非常的成熟。但遺憾的是,目前對于特定類型煤礦水害的相關防治技術不健全,系統性不足[4]。為此,迫切需要發展新的科學技術和裝備,加強水害治理機理研究。針對我國煤礦井下工作中存在的問題,以某煤礦為例,分析了礦井水文地質現狀,闡述了該礦的水害事故防治技術和管理工作體系,為其他煤礦特別是富水礦山提供借鑒。

1 礦井水文地質現狀

某礦當前的首采煤層是二疊系山西組3#煤層,厚度為5.76 m,傾角接近水平,煤巖裂隙發育,煤層的頂底板主要為泥巖。煤層頂板含水層是山西組砂巖裂隙含水層,其本身的富水性較弱,通常在采掘工作面利用錨索、錨桿和煤巖裂隙,以淋水的方式對工作面產生影響。3#煤層通過多年的開采,井田內部已經存在多個采空區,由于長期封閉,排水停滯,都存在一定的積水,積水的水量以及位置較為清晰。周邊礦井和該礦相近區域有一定區域的采空區,雙方都按照規定預留了邊界隔水煤柱。煤層底板含水層是太原組灰巖弱富水含水層以及奧陶系中等富水含水層。太灰水富水較弱,壓力比較小,奧灰水頭提升,煤層帶壓相對較大,奧灰含水層和3#煤層間有100 m 的隔水煤巖柱,突水系數相對較小,在不存在地質構造溝通含水層時不會產生威脅。總而言之,該礦的水害威脅主要源于井田內部的老空積水和構造水。

2 防治水管理體系構建

2.1 體制建設

2.1.1 完善防治水組織架構

公司成立以防治水為核心的工作領導小組,總經理擔任組長,生產副總經理、總工程師、基建副總經理、安監局長以及經營副總經理擔任副組長。地測和其他副總工程師、地質測量部、總工程師辦公室、建設管理部、生產技術部、調度室、通風管理部、經營管理部以及安全監察部等部門負責人為小組成員。總經理主要負責提供防治水工作中的資金、物力以及人力等方面的保障。總工程師主要在總經理的領導下,完成防治水的相關技術管理工作[5]。生產和基建副總經理輔助總經理對生產、建設中可能會出現的地測防治水管理問題進行處理,負責對排查過程中出現的重大地測防治水安全隱患做出整改,依據總經理下發的指令組織水害事故搶險,并且恢復生產。安監局長的工作在于強化防治水的安全監督管理工作,對水害事故做出定期的救援演練,參與到水害事故的搶險救災工作中。經營副總經理制定并且落實防治水工程資金計劃。地測副總工程師輔助總工程師加強防治水技術的管控工作。

2.1.2 優化防治水機制建設

(1)互動機制。互動機制是整合信息系統與專家庫,煤礦和水害專家構建合作關系,使得煤礦管理層、技術人員能夠和專家實時溝通與互動的機制。水害救治專家能夠動態、實時掌握煤礦水害情況,幫助煤礦構建水害防治機制,減緩煤礦水害發生頻率。在發生水害時,專家可以及時、主動地制定方案實施救治。

(2)預警機制。預警機制的主要作用是在水害事故發生之前發出預警,為規范以及制止水害而形成的一套規范化系統。預警需要按照日常監測、信息分析,采用科學建模的形式對水害進行預測,并且按照礦井是否存在用水量突變、頂底板機械裂變、井巷冒汗等征兆進行預判。如果出現了上述指標,并達到臨界值以后,系統會發出警報[6]。因此,預警機制要有良好的信息監測體系、信息傳遞系統以及信息處理分析系統作為基礎,從而確保及時、準確地監測、科學處理分析以及暢通傳遞信息。預測是對監測數據所做的分析和處理,從大量的數據中尋找規律,從而預測可能會出現的災變。想要提升預測精準性,需要構建科學仿真模型,比如灰色關聯模型、模糊綜合模型、小波模型、BP 神經網絡模型和多種方法并存的綜合模型等。充分結合歷史數據,利用仿真模擬可以獲取更加可靠和精確的預測模型。精確預測結果有助于及時發出預警信息,提升煤炭企業員工對于水害的警覺,降低水害導致的人員傷亡。

(3)人才隊伍建設機制。該煤礦的水文地質條件相對復雜,由于受到了老空區積水的影響,需要配備專業防控水技術人員或者是委托具備資質的機構實施防控水服務,構建防治水相關人員培訓機制,培養探放水專業的技術人員,彌補我國當前探放水技術人員短缺的不足,確保井下探放水工程質量[7]。煤礦水害監管從業人員需要獲得和煤礦防治水有關的證書,或者是具有正規院校畢業的學歷,同時還需要附加煤礦防治水工作經驗證明。為了提升監察的有效性,需要聘請專家實施相關監管工作。

2.2 勘查研究

由于該煤礦未封閉鉆孔相對較多,如果存在導通的情況,礦井將會產生大規模突水,并產生淹井的問題,對井下人員的健康構成嚴重威脅,造成難以估量的經濟損失。針對礦區面積大、未封閉鉆孔多的實際情況,深入分析礦區的水文地質條件,制定出綜合勘探的方法與技術,利用瞬變電磁勘探、水文測井、水文鉆探以及對比抽水試驗相互融合的方式,評價未封閉鉆孔的導水性。

第一,瞬變電磁勘探。劃分勘探區內部的底層分布,按照底層沉積規律融合電法電阻率物性進行集中反映,劃分關鍵地層含水層段,查明勘察區主采煤層頂部各個含水層和層組分布的范圍、產狀。本次瞬變電磁勘探的特征是按照區內實測瞬變數據曲線變化情況,結合數據反演結果和勘探區內鉆孔資料進行推斷解釋,圈出區內3個含水層組的實際分布變化、范圍與厚度,并且圈定隔水層較薄區域作為危險的地段,為水文鉆孔和布設提供靶區。第二,水文鉆探。根照對工作區過去水文地質資料的分析研究成果,然后結合構造、地質情況和電法勘探成果以及本次研究工作的實際需求,本著合理、經濟和有代表性的基本原則,施工4組水文地質孔[8]。水文鉆探成井使用了全新的工藝:

(1)止水方式為利用同徑、異徑以及托盤海帶加泥球分層止水。

(2)過濾器使用鋼管橋式過濾器,顯著提升了孔隙率。

(3)水文測井包含了常規測井和流量測井,劃分所測鉆孔巖性,解釋含水層厚度、深度和含水量。水文測井特征指的是對每個含水層做分層流量測井,補充混合抽水無法獲取的水文地質參數。獲得的各個含水層相關的水文地質參數,能夠為礦井后期的水文地質工作提供必備的水文地質依據。

(4)對比抽水試驗。因為該煤礦的含水層數量較多,本次工作難以對每個含水層進行抽水與觀測,因此將所有含水層分成4個不同的含水層組,對4個含水層組做抽水以及觀測。抽水試驗完成了4組孔對比抽水試驗,其特征為:抽水主孔與觀測孔處于已知未封閉鉆孔的兩端,可以更加直接地驗證原鉆孔當中含水層組間水位的變化以及水力的聯系;針對不存在未封閉鉆孔的原始地層中布置一組抽水孔,探查原始地層下各個含水層間水位的變化以及水力的聯系。布置4組抽水孔做抽水對比觀測,從而更加客觀、全面地探查水文地質實際的狀況[9]。

2.3 超前防探

探放水是煤礦預防突水問題的重要方式,針對該煤礦現存的老空區積水和構造水、奧灰水等問題,應做好防探工作。

在探放水之前要明確探水線,同時將其繪制在采掘工程平面圖上,編制探放水設計,明確探水警戒線,并使用避免瓦斯與其他有害氣體危害性的相關安全舉措。同時需要確定探放水的必備條件:第一,接近水淹和可能積水的老空區、井巷、相鄰煤礦;第二,接近導水斷層、含水層、溶洞、暗河以及倒水陷落柱;第三,打開放隔水煤(巖)柱實施放水;第四,接近可能和湖泊、河流、蓄水池、水庫以及水井相同的斷層破碎帶;第五,接近存在出水可能的鉆孔;第六,接近水文條件相對復雜的區域;第七,采掘破壞影響范圍內存在承壓含水層或者是含水構造、含水層和煤層間的防隔水煤(巖)柱厚度不夠清晰,可能會出現突水的情況;第八,接近存在積水的灌漿區域;第九,接近有突水可能的地區。

探放水鉆孔布置措施包含以下四點。第一,在探放老空區積水、鉆孔水以及陷落柱水的過程中,探水鉆孔要成組布設,并且要在巷道前方豎直面與水平面保持扇形,鉆孔終孔的位置要滿足平距3 m 的標準,厚煤層內的各孔終孔垂距要保持在1.5 m 以內。第二,探放斷裂構造水以及巖溶水時,探水鉆孔沿掘進方向前方和下方進行布置,在底板方向鉆孔2個。第三,煤層內部禁止探放水壓超過1 MPa的充水陷落柱水、斷層水以及含水層。如果需要可以建筑防水閘墻,從閘墻外向內部探放水。第四,上山探水時通常做雙巷掘進,一條超前探水與匯水,另一條則用于撤離,雙巷之間間隔30～50 m 要掘1條聯絡巷,并且要設置擋水墻[10]。

3 防治水管理效果評價

該套防治水管理體系于2019年提出,通過多年的體系建設,礦山在隊伍建設、勘探研究、監測監控等方面都增加了人力和物力的投放力度,組織機構和規章制度更加健全,管理工作趨于常態化與系統化,各項防治水工作都獲得了長遠的發展與進步。截至目前,未發生任何水害事故,該煤礦防控水管理體系的應用效果顯著,應用效果評價見表1。

表1 煤礦防治水管理體系的應用效果評價

4 結語

煤礦防治水技術和理論在生產實踐中被廣泛應用。當前,煤礦生產中經常出現的水害類型包含了采空區積水水害、含水層突水水害、地表水水害、鉆孔水水害以及斷層水水害。本文將二疊系山西組3#煤層作為研究對象,構建了防治水組織架構,優化了防治水機制建設,在此基礎上,利用瞬變電磁勘探、水文測井、水文鉆探和對比抽水試驗相互融合的方式,對未封閉鉆孔導水性進行評價,通過該防治水管理體系,礦山防治水管理工作日趨系統化和常態化,各項工作都得到了長遠的發展。通過實例分析,極大地豐富了前人的研究成果,對于煤礦防治水管理體系的構建有一定的借鑒與推動作用。