区域性疏水降压防治水技术研究

崔佳星

(河北工程大学资源学院，河北 邯郸 056038)

区域性疏水降压防治水技术研究

崔佳星

(河北工程大学资源学院，河北 邯郸 056038)

针对矿区的水文地质条件和区内各矿的开采条件，经过综合考虑选择疏水降压的防治水方案，提出集中放水、以单矿疏降矿区的方法，合理布置放水孔和排水设施，达到了预期疏降效果。

疏水降压;防治水;放水点

随着我国经济持续稳定发展，能源需求旺盛，煤炭产量大幅度增加，但浅部煤层开采殆尽，急需解放深部资源［1］。研究矿区位于河北张家口市，由6个矿组成，互为井田边界。其中，1～4矿前身为地方煤矿，浅部6#、5#煤资源已开采殆尽，深部1#煤层为计划接替生产资源;5、6矿为新建煤矿，先期开采6#、5#煤。6个矿在今后的生产过程中均面临着下伏高承压奥灰水的威胁。针对此关键问题，6个矿联合采取疏水降压防治水技术，大大增加了安全生产的可靠性。

1 地质、水文地质条件概况

1.1 区域地质概况

研究区内揭露的地层由老到新依次为:寒武系、古生界奥陶系、中生界侏罗系和新生界第四系，含煤地层为侏罗系中—下统下花园组，为一套内陆山间盆地型湖泊—湖泊三角洲及河流—冲积扇相沉积体系。依据构造及水文地质条件的差异可将盆地划分为5个块段，研究矿区位于第5块段中南部(图1)，该块段四周被不同规模断层所切割，使之成为相对封闭的水文地质单元:该块段南界为壶流河断层，构成了壶流河南北地下水的隔水屏障;在北界阳原南山断层北侧分布着条带状的太古界片麻岩，南侧为寒武系底部页岩翘起，均起到一定的隔水作用;东界松枝口—右所堡断层，为一新生界掩盖下的隐伏断层，由于断层落差大，两侧水力联系微弱;西界的暖泉—大湾断层为一平移正断层，金泉至大湾以北断层落差较小，两盘灰岩对接，地下水联系密切。金泉以南段，断层落差增大，断层阻水能力加强。在两大断层的交汇处形成暖泉泉群，为第Ⅴ块段奥灰水的自然排泄区。

1.2 含、隔水层特征

1.2.1 主要含水层

矿区内共有5个含水层段:寒武系灰岩含水层、奥陶系下统灰岩含水层、侏罗系中下统下花园组煤系砂岩含水层、侏罗系中统后城组砾岩含水层及第四系砂砾石含水层。不同区段奥陶系石灰岩富水性差异较大，岩溶发育区多沿地下水径流带发育。对开采有较大影响的主要为煤系基底奥陶系下统灰岩岩溶裂隙承压含水层，厚度由北向南逐渐变厚，厚度不均一，部分地段缺失，最大厚度100.05 m，岩溶发育极不均一，水位标高在+970 m左右。富水性极不均一，单位涌水量0.000 76～2.0 L/s·m，由北向南有增大趋势。

1.2.2 隔水层特征

矿区在可采煤层与基底奥陶系灰岩之间，普遍发育一层隔水的鲕状黏土岩、粉砂岩。但此层的沉积厚度随古地形的起伏各异、薄厚不一，局部地点缺失，造成可采煤层与奥灰直接接触。

图1 研究区区域地质略图

2 疏水降压必要性

1～4矿已开采多年，浅部6#、5#煤资源已开采殆尽，为保证职工利益，维护矿井正常生产，迫切需要解放深部1#煤层，实现矿井持续稳定生产;5、6矿为新建煤矿，虽然不面临接替生产问题，但由于区域构造、地下水径流等因素的影响，水文地质条件极其复杂。自投产以来，已发生过多次突水，在开采5#煤时最大突水量达1 400 m3/h，严重威胁矿井安全。事后分析突水原因是由于煤层底板距离下伏奥灰含水层仅为33 m，且存在隐伏断裂构造在静水压力和动水压力共同作用下，巷道底臌逐渐增大，导水通道逐渐扩大，进而造成涌水量迅速增大，造成了本次突水的发生。

目前，煤矿矿井防治水主要包括疏水降压［2］、底板注浆加固［3，4］、充填保水开采［5］等手段。矿区内 6 个矿井均面临下伏高承压水的威胁，各矿1#煤底板距奥灰含水层顶板距离一般在15 m左右，注浆层位难以确定，注浆加固后强度难以保证;若采取充填开采的方法，底板导水裂隙仍然存在，亦不能切断奥灰水的补给通道，因此只能采用疏水降压技术。

综上所述，矿区内所有矿井均面临着下伏高承压奥灰水的威胁，为了保证采掘的正常接替和安全生产，迫切要求疏水降压，对矿井水进行行之有效的综合治理。

3 疏水降压可行性分析

根据区域水文地质条件得知，矿区内奥灰含水层处于半封闭的蓄水构造中，区域汇水面积770 km2，大气降水是奥灰含水层的主要补给来源。为了深入认识矿区的水文地质条件，2010年矿区进行了奥灰含水层放水试验。通过放水试验，认识了奥灰含水层的富水性和补给情况，并且探查了奥灰与第四系及寒武系含水层的水力联系情况。放水试验结果证明，在持续放水的情况下，观测孔的水位是逐渐下降的(图2)，奥灰补给缓慢并且以静储量为主，奥陶统灰岩含水层渗透性较好，但补给条件较差，对于疏水降压是有利的，另外从区域奥灰水多年的水位变化情况来看，奥灰水位是呈下降趋势的，大流量长时间的疏降水加上矿区生活用水，使疏水降压具有可行性。

图2 观测孔水位历时曲线

4 疏水降压方案的确定

此次疏水降压工作与以往有很大的不同，是为整个矿区共6个矿井服务。为此初步设计在各矿井均施工放水孔，但分析各矿区域位置、水文地质条件和开采条件后(参见表1)，否决了这项方案，主要原因是:

(1)奥陶系灰岩的起伏形态基本跟煤系地层的起伏形态一致，即总体趋势为西北高东南低，在地势较高的1、2矿疏水效果不会很理想;

(2)因疏水降压的迫切性，采区工期较短的井下施工放水孔，但会增加矿井排水量。6个矿井中部分矿井排水能力有限，不能满足疏降的排水量要求;

(3)由于该区奥灰含水层富水性的不均一性，很难保证每个钻孔的抽水量能够达到预想的水量。

表1 各矿基本开采条件一览表

综合考虑之后，决定采用“集中放水、以单矿疏降矿区”的方案，并选定6矿为疏降矿井，主要原因是:

(1)6矿开采水平最低，为 +650水平，施工井下钻孔工期较短;

(2)6矿矿井正常排水能力1430 m3/h，最大排水能力3300 m3/h，需要增设的排水泵房和排水设施不多，容易实现;

(3)通过放水试验得知，从19－9孔、16－17孔、13－10－3孔至9－孔、5－1钻孔为奥灰含水层强径流带，东翼回风巷放水处水量较大，放水试验期间水位下降明显，并能在较短时间内恢复，说明该区域径流条件好，联系畅通，疏水效果明显。

5 疏水降压工程布置

5.1 钻孔布置

钻孔布置时以井下放水试验孔和专门疏水钻孔为疏水降压孔，主要布置在奥灰含水层水力联系密切、径流条件较好的东翼回风巷。共施工奥灰放水孔5个:+650 m水平回风巷奥灰放水孔4个，总进尺440 m;井下调度室附近奥灰放水孔一个，总进尺110 m。疏水降压工程井下钻孔布置见图3。

图3 井下钻孔平面布置图

5.2 排水布置

结合矿井疏水降压工程及向地面排清水供矿区、电厂及附近村民用水的实际情况，在经过定性和定量比较的基础上，认为:由地面打钻孔铺设排水管路方案优于回风井井筒布置排水管路和利用副井现有应急排水管路方案。井下疏水降压水通过管路到达清水仓，由于清水仓具备一定的缓冲能力，所以在选择水泵时可以按照在20 h内排出24 h的疏水量计算。经过计算，共安装4台D450－60×7型水泵，3台工作，一台备用，每台额定流量 450 m3/h;铺设2条规格为φ377×10的排水管路。泵房正常排水能力1 350 m3/h，最大排水能力1 800 m3/h，满足排水要求。

6 结语

目前为止，疏水降压工作已初见成效，对整个矿区水患进行了综合治理，北部矿井基本不存在带压问题，大大增强了安全生产的可靠性。但东南三矿仍存在程度不同的带压开采情况，各矿要根据实际情况，复杂矿井可采取局部注浆加固技术，实行底板突水监测，提前预测奥灰突水，确保井下开采安全。

［1］朱国维，丁雯，武彩霞.华北煤田底板矿井水分布及突水机理浅析［J］.中国煤炭，2008，34(2):9－11.

［2］葛家德，王经明.疏水降压法在工作面防治水中的应用［J］.煤炭工程，2007(8):63－65.

［3］袁中帮，刘以荣，王德帝.底板注浆改造技术在太灰高水位区的应用［J］.中州煤炭，2009(8):77－78.

［4］吕先进.巷道底板注浆效果分析［J］.煤，2009，18(11):40－41.

［5］潘卫东，季文博.煤矿井下充填保水开采的技术模式探讨［J］.煤炭科学技术，2009，37(8):11－13.

TD743

B

1004－1184(2012)01－0096－02

2011－10－21

崔佳星(1986－)，男，河北保定人，硕士研究生，主攻方向:矿井防治水。