兖矿开展水害监测与治理实践

文/李剑峰

为保障采矿安全，防止水害发生，兖州矿业（集团）有限责任公司对多个下属煤矿水害方面存在的问题进行研究与分析，并与科研单位积极开展技术攻关，通过实践治理，有效保障了矿井开采安全。

井下安全查岗 杨涛/摄

在煤矿建设和生产的过程中，各种类型的水源水会通过不同的途径进入到井下巷道和工作面。为了保证采矿的安全、防止水害的发生，就需要将矿井的涌水向外排出。据不完全统计，目前全国煤矿矿井水排放量约为42亿m3，约占整个采矿业（有色冶金、黄金、化工等矿山)80%，而利用率约为26%。为此，兖州矿业（集团）有限责任公司下属多个煤矿对治理矿井水害方面存在的问题进行认真分析，积极应用当前已有的适用新技术，并与有关单位共同开展科技攻关，有效地保障了矿井开采的安全。

矿井涌水监测

矿井涌水量动态监测系统

随着矿井开采范围的不断扩大和开采深度的增加，井下涌水量的观测点也越来越多、分布愈加零散，涌水量的观测任务日益严重。“流速仪法”“堰测法”等传统的水量测量方法工作量大、测量时间间隔长、获得的数据有限、人为误差大。为此，中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿研制了新型的矿井涌水量动态监测系统，集水力学、计算机、通信和传感器测量等技术于一体，克服了原有水量传统测量方法的诸多缺点，对于及时准确地掌握地下水的动态规律和有针对性地开展防治水工作具有重要的意义。

矿井涌水量动态监测系统采用分级分布式计算机结构，包括井下测量系统和地面数据处理系统两大部分。在每个测水点，传感器采集两路水流的信息（水头高度、水底深度），再通过液位流量计进行处理，将信号转换成电信号送入监测分站，监测分站与地面的计算机为单向数据传输，并且转换成标准信号送入水文站微机的接口，水文站微机从接口采集井下水流的信息，然后进行显示、存储和统计分析处理，还能够由打印机打印出丰富实用的曲线和报表。

此项成果的扩容性好，可以在井下大面积范围内进行涌水量的实时同步观测；可以根据需要按照任意的时间密度进行连续观测，使得涌水量的观测曲线更加趋于真实状态；可以利用井下已有的通讯线路，无需单独敷线；减轻了水文测量的工作量，实现了监测点水文资料管理的科学化和系统化。

矿井涌水量自动监测系统

由中国矿业大学开发的先进完备的矿井涌水量自动监测系统，已经在兖州矿业（集团）公司南屯煤矿投入使用。整个系统技术先进、设计合理，其中的KGC2型自动监测装置达到国内领先、国际先进水平。

该系统实现了对各个实时监控终端机的数据收集和处理，从而完成对整个矿井涌水量的连续监测；终端机采用单片机开发的KGC3型自动监测装置，主要是实现对现场水位和沉泥位的自动监测，可以根据现场的实际情况选择多种标准模拟量输出或者通过其串口进行串行通信，另外还可以实现单机独立测量以及输出显示。

涌水量自动监测系统可以实现的实时功能有：监测矿井井下涌水量的大小；越限的时候进行实时报警以及报警记录的显示查询、报表打印等；系统参数的设置；监测数据的自动记录以及历史记录的查询打印等；监测数据报表、变化趋势曲线的自动生成以及打印；人机界面友好，具有帮助、提示等辅助功能。

由于一般在矿井下顺水槽中沉泥量的变化缓慢，而水位（即水头高度）的变化比较快，因此在对顺水槽涌水量进行监测的时候，采取了对水位测量间隔时间短而对沉泥位测量间隔时间长的办法。经过在现场的实际运行，证明可以很好地反映实际情况。

监测监控技术在矿井水害治理中的应用

迄今为止，兖州矿业（集团）有限责任公司所属南屯煤矿、北宿煤矿等8对矿井均安装了安全监控系统，并在本矿联网的基础上又实现了与兖州矿业（集团）有限责任公司的联网，相关部门都能够看到监测监控系统的有关数据。

实践表明，监测监控技术的应用全面提高了矿井的安全管理水平。在矿井水害治理方面，生产设备监测功能使监控系统可以监测到水仓水位及各种机电设备开停等。这些参数的监测通过网络传到调度台，使调度人员能够随时看到有关设备的运行情况，通过监测各水仓水位及时调度排水。矿井各重要水仓均安设水位传感器及水泵开停传感器。这些传感器通过监测分站和监测线路传到地面监测主机，再通过矿局域网传到调度台。调度员通过联网微机能够清楚看到井下各水仓的水位情况及水泵开停，根据水仓水位调度排水，同时通过查看水位及水泵的历史记录分析变化趋势，出现排水事故时可以作为分析依据。例如，北宿煤矿采用传感器监测井下水仓水位、水泵入口真空度及出口压力、电动机工作电流等参数，并利用可编程序控制器根据水仓水位的高低和连续开机次数累加等条件自动控制3台泵的启动和停止，实现轮换启动、故障报警和停机。

矿井水害防治与治理研究

兖州矿业（集团）有限责任公司不仅在综合机械化放顶煤开采技术的研究方面得到了快速发展，而且在矿井水的防治等方面也有了显著的发展和提高，并且带动了相关专业以及安全保障技术的发展，形成了比较完整的厚煤层综合机械化放顶煤开采技术体系以及安全保障体系。

兖州矿区的矿井水防治技术

一是认真研究在新的巷道布置条件下矿井的排放水系统，这是在大量取消岩石巷道而采用煤巷布置的情况下，给工作面的排放水工作带来的新课题。兖州矿区原来的布置方式可以直接通过钻孔使顺槽与其下部的岩石巷道联通，取消岩石巷道以后则只能够在顺槽内通过水泵和排水管路排水，因而必需完善工作面的排水系统，按照预计最大涌水量的1.5～2倍配备排水能力，保证来水能够排得出去。另外，在采区巷道设计的时候也必须充分地考虑到排水的要求，采区的边界巷和必要的泄水巷要给予保留，以便在工作面的最低洼处能够施工排水钻孔。

二是坚持水害的定期排查制度，对矿井的水害情况进行预测预报。对于防治水害的重点区域，采用瞬变电磁仪从地面探测矿井水和用音频电透仪从井下探测矿井水的方法。对于富水区则打钻进行超前探险放水。对预计涌水量比较大或者提高开采上限的工作面则布置了专门的汇水巷道进行排水。

通过含水层的水化学特征判别水源

矿井突水和淋水恶化了井下的工作条件，影响了矿井的正常安全生产，兖州矿业（集团）公司北宿煤矿在开采过程中发生过3次突水事故。为此，他们根据大量的地下水化学资料，详细地分析了该矿各个含水层的水文地球化学特征，揭示了各个含水层的补、径、排条件及其对煤矿充水的意义，有力地保障了矿井的安全生产。

鉴于煤矿各个含水层的地质、水文地质条件不同，地下水的补、径、排条件和水文地球化学作用过程不同，因此其化学成分有着明显的差异性，通过对井下出水点化学特性的分析研究，可以判别突水水源以及充水程度，以便采取有效的防治水措施。

矿区水害治理实践

矿井突水的综合治理

山东武所屯生建煤矿在井下主要大巷——东翼延深胶带大巷开拓的过程中,于一背斜构造的轴部附近发生了突水险情，后来由兖州矿业（集团）公司杨村煤矿派出抢险人员前往成功地进行了治理。

为了确保在迎头出水治理的时候不会在后面再出现新的出水点，杨村煤矿派出抢救队伍决定进行底板改造，消除十二灰再突水的通道。由于出水点处距十二灰太近，仅有1 m厚而且净水压在0.5～1 MPa，采用加设挡水墙治理迎头活水最有效，其他方法均不可靠或者工期长。为了确保挡水墙达到技术要求，必须对住副墙的夹缝进行注浆。实践过程中，因为单液漏浆严重故而改用水泥水玻璃双液注浆，终压为3 MPa，满足了施工的要求。迎头采用浓度为1.5的水泥浆单液注浆。先从墙体预设排水管中注入（排水管上均安装有高压阀门），在注入水泥约5 t的时候，墙体的一侧有清水渗出时停注（墙体围岩为砂质泥岩），改由4#钻孔中注入。为了检查施工的质量，在迎头墙体的位置处又施工了5#、6#（检查孔）。5#孔长度为25 m，已经穿过迎头16 m，钻孔内无水；6#孔穿过挡水墙进入已经封住的迎头，钻孔内亦无水，均说明达到了对山东武所屯生建煤矿井下突水的治理效果。

北宿煤矿疏放唐村煤矿积水工程系统优化

兖州矿业（集团）公司唐村煤矿关井闭坑以后，其老空水将通过各种途径向相邻矿井渗漏。当水位较低时，主要向北宿煤矿的五采区扩大区渗漏，渗漏方式主要为边界煤岩柱的透水层。由于唐村煤矿不再保留排水系统，其老空水由北宿煤矿井下疏放，并由北宿煤矿的主排水系统排出。鉴于北宿煤矿排水系统已经不能够满足此要求，他们对矿井疏放及排水系统进行了设计优化。

北宿煤矿-290水平的正常涌水量为75 m3/h，加上唐村煤矿的疏放水量约为150 m3/h。根据《煤矿安全规程》规定“正常涌水量在1 000 m3/h以下时，井下主要水仓的有效容量应当能容纳8h的正常涌水量”这一要求，对矿井的排水能力进行了综合评价以后，认为由于增加了唐村煤矿老空积水，北宿煤矿原有的-290中央水仓已经不能够满足现有排水量的要求。

因此，北宿煤矿在原有-290水仓外新建了1个环水仓，工程量为200 m，容积为1 200 m3。同时，对-290中央水仓的水泵和排水管路进行了更换，水泵由原来的150D30×4型更换为200D43×3型，排水管路由原来的194 mm更换为219 mm，满足了矿井排水的要求。

煤矿直通放水孔的研究实践

山东煤田地质局和兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿开展了直通放水孔施工方法的研究与实践，通过对第三含水层的放水实验，为煤矿井下疏水降压的可行性研究提供了科学的水文资料。

兖州煤田属于隐蔽型煤田，其西、北部煤系地层露头普遍被巨厚的第四系松散层覆盖着。第四系松散层按照含水性和隔水性可以分为3个含水层和2个隔水层，底部含水层即第三含水层直接和煤系地层接触，因此在矿井设计的时候预留了尺寸比较大的防水煤柱。为了解放水体下的压煤和变防水煤柱为防砂煤柱，从而进一步开采浅部的煤层，就必须准确地掌握第三含水层的赋水条件，并且进行疏水降压的准确预测。

该工程的主要技术措施是钻进及扩孔的时候均采用钻铤加压，分级扩孔的时候使用导向钻具并且采取扶正措施；由下向上实行基岩止水、基岩-第四系界面止水、第三含水层上部止水；第三含水层与孔内过水通道的通畅程度直接影响到放水试验的质量和所取得水文资料的可信程度，所以在放水之前进行了较为细致的冲孔工作；3次降深抽水试验完成以后即可以下堵水塞；根据测井资料计算出钻孔的偏斜位置，通过在井下巷道的开挖，找到下放的套管并且将放水阀门、管线和仪表联接好以后，即可进行放水试验；控制过水通道的开度就能够控制放水流量的大小。

此项工程有3个难点：为了便于井下开挖找孔和安装放水管线以及设备，钻孔的终孔靶点必须位于预计的靶区范围以内，所以要求钻孔的偏斜度很小；各个部位的止水必须一次性成功，第三含水层处的花管和滤网过水通道必须畅通；向井下放水的通道需要在地面准确及时地启用，并且能够控制放水流量的大小。

通过实践得出结论，孔内的花管及滤网应当具有强度高、寿命长、孔隙大等特点，才能够满足大流量、长时间放水的需要。