矿井综合防治水技术研究综述

2020-04-09刘京强崔玉朝

中国矿山工程 2020年1期

刘京强，崔玉朝

(1.贵州鲁中矿业有限责任公司，贵州贵阳 550000； 2.贵州煜滕煤炭行业大数据信息中心有限责任公司，贵州贵阳 550000)

1 前言

在我国矿山井下生产过程中，水害一直是影响井下工作面灾害之一[1-3]，相关资料表明，我国受水害影响的矿井区域较多，因此研究矿井综合防治水技术对于我国煤矿的安全生产具有重要意义[4-5]。本文根据现有技术情况提出采用多种矿井水害综合防治技术，为解决井下水灾问题提供了指导。

2 采动矿压对的岩层破坏

2.1 采场周围应力分布

在工作面的开采过程中，原岩应力重新分布，采场周围岩体由三向应力状态变为双向应力状态。此时承重岩层为采空区上覆岩层，其承受上部岩层应力，并将其传递到工作面两侧及前后方岩体上，在采空区下部形成卸压区，而周围煤壁产生应力集中，具体如图1所示。工作面前方、煤壁两侧、采空区冒落矸石的竖向支承压力，分别为前支承压力、侧支承压力、后支承压力。由于采空区的卸压及采空区周围岩体的应力集中，使底板岩层处于复杂应力状态中，易发生断裂和破坏。

2.2 底板岩层破坏区分布

底板是较易发生突水的位置之一，工作面周围岩体应力集中，对底板的压力增大，当该应力超过底板岩体所能承受的极限应力时，底板将发生破坏，原有裂隙进一步扩展，并产生新的裂隙，而在采空区的底板由于卸压的影响，可能会发生底鼓，造成采空区底板的破坏和裂隙发展。因此，在采场周围底板岩层产生剪切破坏，具体如图2所示，随着工作面的推进，顶板便会经历基本顶来压、顶板冒落，同时周围岩体和底板发生变形，这一过程具有周期性，且在顶板来压时易发生突水事故。

图1 采场支撑压力示意图

图2 工作面底板岩层破坏示意图

3 矿井水害综合防治措施

为保证井下作业人员以及设备的安全，减小突水、涌水事故发生的概率和造成的危害，煤矿井下应采取综合防治水措施，综合防治水具有准确性高、治理效果好等优点，近年来在我国各大矿区尤其是水害较为严重的矿区得到了广泛的应用，综合防治水要坚持“预防为主、防治结合”的基本原则，综合防治水的具体措施，可需根据矿井的实际地质条件来选择，以达到较好的经济效益和防治水效果。

3.1 矿井水害的预测预报

在充分掌握矿井水文地质条件的基础上，在开采过程中也需对可能突水的构造进行预测，尤其在可能遇到断层破碎带、采空区积水等不良地质条件下，更应加强对含水部位的预测。传统的预测方法主要采用钻孔探放水，随着计算机技术的发展，一些新的探水方法也被应用于矿井中，比如放射性测量、物探方法等。若要确保钻探的准确性，可采用钻孔探放水、放射性测量、物探相结合的综合探水措施，进行综合探放水后，应在水文地质图上标出之前没有预测到的含水部位，不同段块的富水程度分布图划分出突水安全区和突水危险区，为井下采掘防治水提供详细的技术资料。

3.2 综合治理措施

1)地表防治水

地表降水是井下充水的重要来源之一，因此有必要进行地表防治水，减少矿井充水源头，从而减小矿井涌水量和突水危险性，地表防治水的主要措施有以下几点。

(1)选择合理的井筒位置，一般来说井筒的位置应处于地面标高较高的地方，来防止地表水涌入井筒造成大范围的淹井事故。因此在矿井设计之初，应根据当地水文条件、气象条件等确定井口标高，其布置原则为井口标高应高于当地历年最大洪水水位高度，如果地形条件有限，或为节约经济成本，井口标高低于当地历年最大洪水水位时，应采取修筑隔水、挡水构筑物等措施。

(2)修筑导水沟：当矿井处于山区地质条件时，受山洪影响可能造成洪水进入井筒，或者地表水随围岩体裂隙渗入工作面，此时可在地表修筑排水沟，将地表水排至影响范围之外。

(3)在综放开采等采高较大的矿井，井下煤体开采后围岩应力大造成裂隙规模发育，严重时影响地表，在地表形成裂隙，这些裂隙便形成地表水的涌水通道。对于此类裂隙可采用围岩体注浆的方法将其封堵，对于规模较大的裂隙甚至形成的塌陷区可采取充填碎石、覆盖黏土后夯实的措施，来防止地表水的进入。

(4)河流改道：若矿区范围内的河流严重影响矿井开采安全，可能造成突水淹井等事故时，可在矿区上游的河流选择合适的地点，修筑堤坝阻止河流流入井田范围，并用导水渠将水引出井田区域，若地形限制，河流不能改道，可采用截弯取直的方法，减小河流流经矿区的长度，从而减小井下涌水量。

2)井下防水

当井下围岩体中存在天然含水层，断层破碎带含水层以及受开采活动影响而形成的采空区积水，含水水源转移至井下工作面范围内，应采取井下防治水措施来保证工作面的安全开采，井下防治水具有防治效果好、成本低等优势，其主要技术措施主要有以下几方面。

(1)超前探放水。由于地质条件的复杂性和钻探勘测的有限性，导致某些水文地质条件不可能完全查清楚，因此当采掘活动遇到采空区积水、断层破碎带含水层、位置含水量不确定的含水部位时，应采取超前探放水措施来查明工作面水情，且布置参数合理的探放水钻孔，将含水层的水有序放出后，再进行生产工作，矿井探放水示意图如图3所示。

图3 底板防水钻孔

(2)预留防水煤柱。井下工作面受水害威胁较大时，可在含水层与开采工作面之间留设一定范围的煤柱，防水煤柱留设的位置和具体尺寸应根据矿井实际地质条件来确定，在保证安全防水距离的前提下，尽可能的减小煤柱尺寸，以提高回采率。断层带含水层留设防水煤柱示意图如图4所示。

图4 断层防水煤柱示意图

安全隔水煤(岩)柱经验公式为

(1)

式中：L——煤柱留设的宽度，m；

K——安全系数，一般取2～5；

M——煤层厚度或采高，m；

p——水头压力，MPa；

KP——煤的抗拉强度，MPa。

(3)疏水降压。疏水降压是直接采用抽放设备对含水层进行排水，降低含水层的水压力和含水量，从而使含水层的水压水量处于安全范围内，疏水降压可从源头上解决矿井水害问题，主要适用于含水层补给量不大的情况。若含水层补给量较大，采用疏水降压措施，则无明显的效果。目前，我国各大矿区采用的疏水降压措施主要有疏、排水巷道、抽水钻孔、排水钻孔等，当井下含水层范围和规模较大时，可根据地质条件，划分区段、进行分段疏水降压，从而减小疏水降压时的设备和物资消耗，降低成本，疏水降压示意图如图5所示。

图5 疏水巷道排水

(4)围岩注浆。矿井工作面范围内含水层水压不大时，可采用注浆的方法，封堵由开采扰动造成的围岩体裂隙，从而保证工作面不受水害的影响，注浆的成败关键在于注浆材料的选择、注浆孔的布置、注浆压力的确定等参数，因此在注浆前可先采取综合探测方法，确定裂隙发育规模和裂隙带范围，从而选取合理的注浆参数，以达到较好的注浆效果，工作面底板注浆示意图如图6所示。