淮北闸河矿区闭坑矿井水害评价及其防控技术体系_李伟.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY 2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract With the depletion of shallow coal resources and the implementation of the national coal production capacity reduction policy, the number of closed mines has increased year by year. Groundwater will not be drained any more after the coal mine is closed, and this will threaten the adjacent active coal mine. The abandoned coal mines in Zhahe mining area of Huaibei were taken as the research targets, and the recovery of the water level in the closed mines was predicted, and the tensile strength of the main coal seam was uated comprehensively. Finally, the safety of the mine was uated. The results show that the coal pillar width could not meet the safety requirements at present. So, the comprehensive prevention and control system of water hazard in closed mines were established. The system includes water accumulation process monitoring of abandoned coal mines, borehole exploration and pre drainage of goaf water, advance drainage of draining laneway, setting of gate wall for over water tunnel, dynamic monitoring of downhole open channel flow, shaft filling and reinforcement and comprehensive exploration and governance of old and small coal mine boundary. Finally, the safe mining of adjacent mines threatened by the water hazard of closed mines has been realized, and significant economic and social benefits have been achieved. The research results can provide a basis and for preventing similar water disasters in closed mines in China. Keywords abandoned coal mines; prevention and control of water hazard; coal pillar of mine boundary; goaf water; Zhahe mining area 随着我国众多小型矿山浅部资源逐渐枯竭、能 源供给侧结构性改革、国家关井压产和淘汰落后产 能政策实施以及矿山准入门槛提高等，大量不符合 国家安全与生态环境标准、无效益的矿山企业被迫 关闭[1]。我国煤矿数量在 20 世纪 90 年代曾多达约 10 万个，绝大部分为小型煤矿，多分布在国有大型 ChaoXing 增刊 1李伟等 淮北闸河矿区闭坑矿井水害评价及其防控技术体系17 矿区浅部，截至 2016 年底已减少至不足 8 000 个， 短短 20 a 间共关闭煤矿超过 9 万个[2]。预计到 2020 年，我国关闭/废弃矿井数量将达到 12 000 处，到 2030 年数量将到达 15 000 处[3]。 矿井闭坑后会对周围地质环境产生一系列的影 响，包括周围地下水环境影响、地下水径流场变化、 地面塌陷等，其中对周边生产矿井影响较大的主要 是矿井闭坑水害的影响， 由于闭坑矿井停排地下水， 地下水水位随着闭坑时间的延长会持续上升，直接 与原始区域水位一致，最终在井下采空区及废弃巷 道中形成庞大的积水体，对邻近生产矿井造成严重 威胁。 对于闭坑矿井水害问题，国内外学者开展了大 量的相关研究工作，崔洪庆等[4]以美国匹兹堡煤田 为例，研究了废弃矿井地下水位回升过程，通过设 立水位观测站加强水位回升动态监测。周建军等[5] 基于理论分析， 建立了地下水流等效连续介质模型， 得到了地下水回升模型，为地下水回升预测提供了 依据。虎维岳等[6]建立了废弃矿井补给量与相关影 响因素的关系， 利用 FEFLOW 软件对矿井闭坑后地 下水位回升进行了分析。此外，其他学者在矿井闭 坑后对地下水位回升[7]、防隔水煤柱安全性评价[8]、 积水系数取值[9]、采空区积水量预计等方面开展了 相关研究工作[10]。从目前研究来看，对于闭坑矿井 水害研究主要集中在地下水位回升、积水量预计等 方面，对于闭坑矿井水害安全性评价与防控措施及 相关技术研究较少。因此，笔者以淮北闸河矿区闭 坑矿井为研究对象，针对不同矿井的地质与水文地 质特点，开展了矿界煤柱隔水安全性评价，提出了 闭坑水害防控技术体系，并成功应用于各个煤矿， 顺利实现了闭坑邻近矿井的安全生产，研究结果具 有的理论与现实意义。 1研究区概况 淮北闸河矿区位于淮北煤田北部，曾有大小矿 井 30 余对，隶属于淮北矿业集团公司的矿井有 10 余对，至本世纪初尚有生产矿井 8 对，大多数矿井 于 20 世纪 50 年代末或 60 年代初投入生产，已有 60 多年的开采历史，矿井可采储量已接近枯竭，加 之当前煤炭经济形势严峻，以及国家煤炭行业控制 产能的政策要求， 决定对该区域矿井实行分期关闭。 根据矿区闭坑计划，矿区中南部的 6 对矿井朱庄煤 矿、杨庄煤矿、双龙公司煤矿、岱河煤矿、朔石矿 业东部井、朔石矿业西部井中，岱河煤矿于 2017 年 11 月关井，杨庄煤矿于 2020 年闭坑，双龙公司 煤矿、朔石矿业东部井于 2022 年闭坑，朔石矿业西 部井于 2020 年停止采煤，但保持开采高岭土矿，朱 庄煤矿维持生产至 2023 年。 这 6 对相邻矿井间为断层边界或人为边界图 1， 相互之间联系密切， 先期关闭的矿井， 由于停止排水， 采空区开始充水，随着次生水位的上升，水压逐惭增 大，存在矿界煤柱突破溃水的危险。同时由于相邻矿 井开采层位相同，形成的采空区或导水裂隙带相互连 通，闭坑矿井次生水可通过裂隙带涌入相邻矿井，造 成相邻矿井涌水量增大，也存在一定的威胁。由于历 史的原因，这 6 对矿井矿界煤柱的留设，或受采掘活 动的破坏或影响、或与矿井水文地质类型不匹配，因 此，研究闭坑矿井次生水害形成过程，评价闭坑后矿 界煤柱隔水安全性，制订相应的闭坑矿井次生水害防 治方案，是十分必要的。 2闭坑矿井水害危险性评价 2.1闭坑矿井水位回升预测 采用回采空间法，对各个闭坑矿井井下储水空 间进行了计算，计算公式如下 Q积Q采Q巷1 式中 Q采K1AM/cosα；Q巷K2SL；Q积为相互连 通的各积水区总积水量，m3；Q采为有水力联系的煤 层采空区积水量之和，m3；Q巷为与采空区连通的各 种巷道积水量之和，m3；K1为采空区积水系数；A 为淹没采空区面积的水平投影，m2；M 为采空区平 均采高已采煤层厚度，m；α为煤层平均倾角，； S 为巷道断面面积，m2；L 为巷道累计长度，m；K2 为巷道积水系数， 与断面变化有关， 煤巷取 0.50.8， 岩巷取 0.81.0。公式中关键参数为老空区积水系数 K1，该参数根据淮北矿业各矿井井下老空水疏放实 际情况进行了统计，得出了积水系数 K1的取值范 围，回采时间小于 5 a，K1取 0.30；回采时间在大于 等于 5 a，小于 10 a，K1取 0.20；回采时间大于等于 10 a，K1取 0.10。 通过对不同矿井不同煤层回采面积、 采煤厚度、 煤层倾角及巷道体积的统计，得到了不同矿井闭坑 后井下积水区总体积，根据目前矿井实测涌水量的 大小，得出了不同水平充水所需的时间，最终建立 了各个矿井闭坑后水位回升随时间的变化关系以及 地下水回灌至井口所需时间，如表 1 所示。 ChaoXing 18煤田地质与勘探第 46 卷 图 1闸河矿区中南部矿井位置示意图 Fig.1Location of mines in the center and the south of Zhahe mining area 表 1各闭坑矿井水位回升趋势 Table1Risingtrendofwaterleveloftheabandonedcoalmines 矿井名称水位回升方程灌满时间/d 岱河矿H 210–8t3–7E–05t20.1317t–415.293 233 朔石东部井H610–8t3–0.0002t20.339t–447.891 985 双龙公司H–210–5t20.1744t–357.292 824 杨庄煤矿H0.8212t–447.26493 2.2现有矿界煤柱安全性评价 各个闭坑矿井之间大部分均为人为技术边界， 即通过矿界煤柱相隔。 随着闭坑矿井老孔水位回升， 矿界煤柱承受水压力也随之增大，因此，矿界煤柱 是否能够承受老空水压是矿界安全性评价的关键。 目前，对于矿井防隔水煤柱宽度留设已开展了大量 的研究，主要包括理论计算、数值模拟、相似材料 模拟等方法[11-13]。本文采用数值模拟与理论计算对 矿界煤柱采动损伤宽度进行了计算，得到了有效隔 水煤柱宽度，并依据煤矿防治水规定中防隔水 煤柱宽度计算公式进行评价[14]。计算公式为 3 0.5 p P LKM K 2 式中L为矿界煤柱留设的宽度，m；K为安全系数， 一般取25；M为煤层厚度或采高，m；p为矿界煤 柱承受的水压，MPa；Kp为煤层抗拉强度，MPa。 上述指标中，煤层抗拉强度为关键技术参数。 为此，笔者曾对闸河矿区主采煤层抗拉强度进行 了综合测试分析[15-17]，主要采用的方法包括点 荷载试验法、套筒致裂法、声波测试法、准煤体 强度理论及原位实测，并考虑到煤层后期受地下 水浸泡影响，最终获得了主采煤层抗拉强度值， 如表2所示。 表 2闸河矿区主采煤层煤体抗拉强度建议值 Table 2Recommended tensile strength of coal seam in main coal seams of Zhahe mining area 煤层 编号 抗拉强度/MPa 测试点完整区段构造破碎带 自然状态浸水后自然状态浸水后 50.350.210.100.06杨庄煤矿 60.300.180.180.11杨庄煤矿 30.130.080.080.05袁庄煤矿 通过对各矿井采掘资料的系统分析，对各个矿 井之间现有煤柱的设置情况进行了核查。并基于数 值模拟和理论公式计算，获得了煤柱采动损伤值， 以及有效隔水煤柱宽度表3。 根据煤层抗拉强度测试结果表2， 安全系数取 最大值5， 水位按老空水回升至井口计算， 采用式2 可计算得出各相邻矿井矿界所需煤柱的宽度表3。 经计算，目前实际所留设的矿界煤柱宽度不能抵抗 闭坑矿井老空积水水压的影响，存在溃水威胁。为 ChaoXing 增刊1李伟等淮北闸河矿区闭坑矿井水害评价及其防控技术体系19 此，要从根本上消除老空水对相邻生产矿井的安全隐患，必须采取相应的防治水措施。 表 3矿界煤柱宽度设置现状 Table 3Coal pillar width of coal mine boundary 矿界位置煤柱实际留设宽度/m采动损伤宽度/m有效煤柱宽度/m所需煤柱宽度/m备注 岱河矿–双龙公司401030127不满足要求 岱河矿–朔石西部井71106163不满足要求 双龙公司–朔石东部井40832145不满足要求 杨庄矿–朱庄矿971285117不满足要求 3闭坑矿井水害防控技术研究 3.1闭坑矿井积水过程监测 地下水位监测能够直观、及时地反映出老空区 地下水回升动态特征，对邻近生产矿井防治水工作 具有重要指导意义。由于上述6对矿井中，岱河矿 业最先闭坑，会对周围矿井产生影响，为此，在岱 河矿业布置一个地面水文长观孔，地面位置位于张 程庄蔬菜大棚基地，对岱河矿业矿井老空水水位进 行动态监测，如图2所示。该孔于2017年3月18 日2017年5月6日完成， 完成钻探工程量519.37 m， 与岱河矿业Ⅲ3皮带运输石门贯通。 图 2岱河矿业老空水观测孔位置示意图 Fig.2Location of observation hole of goaf water level in Daihe coal min 在双龙公司布置了一个地面水文长观孔，位于 Ⅱ7采区下山车场对应地面位置，对双龙公司矿井 老空水水位恢复情况进行动态监测。 该孔于2017年 4月30日2017年6月25日完成，历经56 d。完 成钻探工程量413.06 m，与Ⅱ7采区下山车场准确 贯通，如图3所示。 图 3双龙公司老空水观测孔位置示意图 Fig.3Location of observation hole of goaf water level in Shuanglong coal mine 房庄煤矿位于岱河矿业东北部，且与朔石东部 井、西部井均搭接，在房庄煤矿布置了一个地面水 文长观孔，位于西翼主石门对应地面位置，对矿井 老空水水位恢复情况进行动态监测。 该孔于2017年 6月20日2017年8月2日完成，历经44 d，完成 钻探工程量178.96 m，与主石门准确贯通，如图4 所示。 图 4房庄煤矿老空水观测孔位置示意图 Fig.4Location of observation hole of goaf water level in Fangzhuang coal mine 3.2井下钻孔探查预疏 朔石矿业东部井Ⅲ312工作面靠近矿界保护煤 柱与双龙公司相邻，最高标高–425 m，三总回风巷 靠近矿界保护煤柱外侧。 双龙公司Ⅱ7采区的Ⅱ3721 工作面采空区最为低洼，最低标高为–427 m。双龙 公司Ⅱ7采区涌水量为60 m3/h，已于2017年1月 20日停止排水进行回收。 双龙公司停止Ⅱ7系统后，预计老空水于2017 年9月15日突破煤柱进入朔石东部井。 考虑到构造 等其他因素影响，双龙公司闭坑其老空水也可能提 前通过边界煤柱进入石台煤矿Ⅱ1采区Ⅱ3123老空 区或Ⅲ1采区Ⅲ312工作面。 故朔石矿业东部井存在 相邻矿井闭坑次生水害的威胁。为此，采用井下钻 孔探查预疏方案，对双龙公司Ⅱ7采区老空水进行 探查疏放，从而消除水害隐患，确保安全生产；同 时，对双龙公司闭坑后的出水情况进行观测，收集 相关数据资料，为采空区积水过程研究积累依据。 为此，在朔石东部井三总回风巷施工两个井下 预疏孔，如图5所示。探查情况表明，1号孔开孔 角度16，共钻进71 m，出水8015 m3/h；2号孔开 孔角度18，共钻进75 m，钻孔出水较少有吸风现 象分析，反推其出水点高度是在–425 m，因Ⅲ312工 作面靠近矿界保护煤柱与双龙公司相邻， 矿界保护煤 柱40 m，探放水孔标高在–442 m标高以内，故采空 积水放水面积为2 762.5 m2，积水量约4 143.7 m3， 截止2017年7月2日，按平均40 m3/h计算，共放 老空水4 800 m3，推算动水量在1015 m3/h左右。 ChaoXing 20煤田地质与勘探第46卷 图 5双龙公司老空水探查预疏钻孔设计位置 Fig.5Designed location of hole for goaf water detection and pre-drainage in Shuanglong coal mine 综上所述，Ⅲ总回风巷探放双龙公司Ⅱ3721老 空水工程，共设计2个钻孔，总工程量146 m，1 号孔达到设计要求，验收合格；2号孔作为验证孔， 达到目标层位，验收合格。总涌水量8015 m3/h， 平均40 m3/h。 截止7月2日共排放老空水4 800 m3， 预计剩余水量656.3 m3。目前孔内出水量接近或等 于动水补给量，故仍要加强水情观测。现已实现Ⅲ 312、Ⅲ314工作面安全回采。 3.3开掘泄水巷超前排水 这是针对先期闭坑矿井老空水威胁所采用的一 种次生水害防控方法。研究区双龙公司为防治先期 闭坑的岱河矿业老空水采用开掘泄水巷道超前排水 方案，防控先期闭坑矿井次生水害的威胁。针对双 龙公司Ⅱ2采区与岱河矿业Ⅲ3采区边界保护煤柱 隔水能力的不足，为排除岱河矿业闭坑Ⅲ3采区次 生水害威胁，设计在双龙公司Ⅱ2采区尾部石门联 巷施工一条泄水巷，疏通岱河矿业Ⅲ3采区老空水， 顺泄水巷流至双龙公司Ⅱ2采区水仓，如图6所示。 图 6双龙公司Ⅱ2 采区泄水巷布置及排水通道示意图 Fig.6Layout of drainage lane and drainage channel in mining district Ⅱ2 of Shuanglong coal mine Ⅱ2泄水巷自2017年9月1日拨门，于2017 年10月19日与岱河煤矿Ⅲ3采区Ⅲ531工作面采空 区贯通，共施工岩巷52 m，煤巷180 m，巷道采取 锚喷及架棚支护，断面9.3 m3，贯通后架棚段采取 喷浆、架设木垛补强支护。双龙公司Ⅱ2采区涌水 量2.5 m3/h，岱河矿业闭坑后对双龙公司影响涌水 量5080 m3/h。Ⅱ2采区水仓容积为952.4 m3，采区 下部泵房安装3台150D-305型水泵，经4路排水 管道排至二水平西大巷水沟，系统排水能力符合要 求，具备抗灾排水能力。 3.4井下泄水巷道挡水闸墙设置 为防止先期闭坑矿井老空水突然溃入相邻生产 矿井，必须在生产矿井泄水巷道建立挡水闸墙。研 究区主要涉及的矿井有朔石矿业东部井、 朱庄煤矿、 双龙公司等。 a. 朱庄煤矿Ⅲ56大巷构筑挡水墙 相城煤矿与 朱庄煤矿Ⅲ56大巷相通，相城煤矿闭坑矿井涌水量 经朱庄煤矿Ⅲ56大巷至三水平泵房排至地面。现仅 在朱庄煤矿Ⅲ56大巷设置挡风墙，存在安全隐患。 2017年11月20日至2017年12月23日由朱庄煤 矿修护区按设计在Ⅲ56大巷构筑防水闸墙。防水闸 墙施工位置位于朱庄煤矿Ⅲ56大巷西2号点向西30 m 处，防水闸墙承受水压4.43 MPa，采用双段倒截锥 形墙体，长度为8.0 m，嵌入围岩深度为1.6 m，支 护形式为素混凝土浇筑。 其中材料使用锚杆242套， 锚索15套，钢筋网134片，工字钢8根，钢管12 根，高压闸阀4件，注浆管12根，水泥150 t，黄 沙210 t，瓜子片420 t，瓦子石1 268块。 b. 双龙公司Ⅱ2采区泄水巷构筑挡水墙 双龙 公司Ⅱ2采区泄水巷防水闸墙位置位于Ⅱ2石门G7 点向北1.5 m，2017年10月20日开始建设，防水 闸墙设计墙体承受水压为4.09 MPa，采用双段倒截锥 形墙体，施工长度为8.0 m，嵌入围岩深度为1.1 m。 防水闸墙支护形式为混凝土浇筑，于2017年10月 26日建成。 ChaoXing 增刊1李伟等淮北闸河矿区闭坑矿井水害评价及其防控技术体系21 3.5井下明渠流量动态监测 为防止先期闭坑矿井老空水，在其相邻生产矿 井泄排水巷道建立明渠流量在线监测系统，实时 监测闭坑矿井老空水水量的变化，为防治次生水害 提供决策依据。 a. 朔石矿业东部井一水平北大巷流量在线监 测系统窦庄煤矿、 永堌煤矿的老空水已进入朔石矿 业东部井一水平北大巷，2017年3月在朔石矿业东 部井一水平北大巷建立了井下明渠动态观测系统， 对 涌水量进行在线动态监测，现实测涌水量94 m3/h， 直接由朔石矿业东部井排出。消除了窦庄煤矿、永 堌煤矿次生水害的威胁。 b. 朱庄煤矿Ⅲ56大巷流量在线监测系统 相城 煤矿与朱庄煤矿Ⅲ56大巷相通，目前相城煤矿涌水 量15 m3/h，经朱庄煤矿Ⅲ56大巷，由朱庄煤矿三 水平泵房排至地面。在朱庄煤矿Ⅲ56大巷建立井下 流量在线监测系统，对相城矿涌水量实时监测，如 遇异常变化，及时分析原因并采取相应措施。 c. 双龙公司Ⅱ2采区泄水巷道流量在线监测系 统为防止岱河矿业闭坑水害影响， 在双龙公司Ⅱ2 采区下山尾部联巷开掘了泄水巷道，建立了明渠流 量监测系统，实时监测岱河矿业闭坑后矿井水的变 化情况。 3.6闭坑矿井井筒探查与充填加固 针对先期闭坑矿井相城煤矿井筒封堵存在的问 题，朱庄煤矿按照要求，按井筒充填设计施工方案 对相城煤矿中央风井、主斜井进行充填封闭。 充填采用注浆封堵方式，注浆加固区域位于第 三隔水层底界向上6 m至第四含水层底界向下10 m 位置，总长度70 m。共施工5个钻孔，包括3个注 浆孔和2个检查孔，通过地面射流方式向巷道注入 骨料，之后再注入水泥浆，注浆压力为静水压的2.0 倍，通过3个注浆钻孔实现对该区域的巷道封闭， 注浆孔平面间距26 m，检查孔分别位于相邻两个注 浆孔中间。总钻探工程量318.1 m，3个注浆孔共注 浆874 t，其中黄沙820 t，石子270 t，水泥323 t； 注浆结束后经2个检验孔进行压水试验，压力2 MPa，稳定时间不少于15 min，达到结束标准。 3.7浅部小型煤矿开采边界探查 朱庄煤矿和杨庄煤矿浅部有多个地方小煤矿开 采，现已停产闭坑。但这些小煤矿存在越界开采， 缺乏资料，开采边界不清。朱庄煤矿和杨庄煤矿将 受这些煤矿次生水害的影响，为安全起见，开展了 浅部小煤矿闭坑次生水害的防治工作。 a. 朱庄煤矿对土型北煤矿次生水害的防治 根据土型北煤矿次生水害的影响特点，朱庄煤 矿主要采取地面补勘、地面钻孔定向探查和井下超 前探查验证等措施，探查小煤窑越界开采情况，提 出防治小煤窑老窑水对策。 b. 杨庄煤矿对小煤矿闭坑次生水害的防治 ①为控制小煤矿开采范围，在二水平东大巷已 施工18个探查孔，其中4个孔漏风、无出水现象， 漏风钻孔均在二水平大巷上部，二水平大巷下部煤 层赋存正常，并在地面施工了2个探查孔，经探查 煤层赋存正常，根据探查资料分析，广安煤矿活动 范围在二水平大巷以上， 下一步计划在EⅢ5111机、 风巷掘进期间，临近二水平东大巷时，采取物探＋ 钻探的方式进行超前探查。 ②Ⅲ64城下开采，受洪杨煤矿采空区影响，井 下巷道掘进期间，采取物探＋钻探的方式进行超前 探查。 ③在井下可能与小煤矿联通的地段施工了挡 水墙。 4结论 a. 根据生产矿井周边先期闭坑矿井顺序，对闭 坑矿井水位回升进行了预测，获得了各闭坑矿井回 灌所需时间。 b. 对各矿井现有矿界煤柱设置情况进行了核 查，基于规范公式并结合煤柱采动损伤分析，对现 有矿界煤柱的安全性进行了评价，得出现有矿界煤 柱宽度不能满足闭坑矿井老空水上升水压的影响， 存在溃水威胁。 c. 结合各矿井的生产实际，制订了相应的闭坑 水害防治方案与措施。主要包括闭坑矿井积水过 程监测、井下钻孔探查预疏、井下泄水巷道超前排 水、井下过水巷道挡水闸墙设置、井下明渠流量动 态监测、闭坑矿井井筒充填与加固、老窑边界综合 探查与治理等综合防控技术体系。通过上述闭坑水 害措施的实施，闸河矿区已安全回采受闭坑矿井水 害威胁的煤炭资源， 取得了显著的经济和社会效益， 研究结果对类似条件闭坑水害的防治具有指导作 用，推广前景广阔。 参考文献 [1] 武强， 李松营. 闭坑矿上的正负生态环境效益与对策[J]. 煤炭 学报，2018，43121–32. 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