浅议煤矿采掘中的异常地质、异常出水特征及其处置方法.pdf

技术与市场技术应用 ２ ０ ２ ０ 年第２ ７ 卷第８ 期 浅议煤矿采掘中的异常地质、 异常出水 特征及其处置方法 种雨刚，杨慧鹏 （ 郑州煤电股份有限公司告成煤矿，河南 登封 ４ ５ ２ ４ ７ ０ ） 摘 要煤矿在采掘过程中常遇到异常地质现象和异常出水情况， 由于现场作业人员辨识能力不足和采取的处置方法 不当， 造成不必要的事故。主要通过作者多年的地质、 水文地质工作经验， 提出了一些煤矿在采掘生产中的地质、 水害异 常信息和处置方法， 为类似条件下的异常地质、 水害情况处置提供借鉴经验。 关键词异常；处置；地质；水害 ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６－ ８ ５ ５ ４ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ８ ． ０ ５ ２ 异常地质现象 煤矿在采掘过程中需收集物探、 钻探及瓦斯抽采钻孔等相 关资料进行综合分析， 对采掘工作面和周边的地质构造进行预 判， 并对煤层赋存情况、 断层极其破碎带、 断层的歼灭端及转折 部位、 小构造集中发育区域、 背（ 向） 斜轴部、 大构造附近伴生 及次生构造等地质异常情况进行预测预报工作， 以便相关部门 提前制定针对性的安全技术措施。 １  １ 采掘工作面施工过程中遇到地质异常及处置办法 １ ） 常见主要地质异常。①褶曲、 断层面及破碎带。②围岩 节理（ 裂除） 发育或极发育。③煤（ 岩） 层破碎、 煤岩混杂、 紊 乱、 层理不洁， 或岩层呈泥状、 角砾状。④煤层顶底板或岩层倾 角发生明显变化， 甚至发生倒转。⑤煤层缺失或突然变薄、 变 厚。⑥岩层岩性突然变化。⑦岩巷掘进过程中迎头瓦斯涌出 量突然增大。 ２ ） 处置办法。采掘区队是井下采掘工作面揭露各种地质 现象的第一见证者， 对于预报中提到的地质异常在施工过程中 必须认真观察对照， 并按提前制定的安全技术措拖执行； 若施 工中发现新的地质异常必须立即停止采掘活动， 向矿调度室、 地测防治水等相关部门汇报， 必要时撤出现场所有作业人员。 地测防水部门接到汇报后， 必须立即安排专业技术人员去 现场观察分析地质情况， 同时向矿有关领导汇报。查明前方地 质构造后， 经相关部门研究并采取措施处理， 确认安全后方可 恢复作业。 １  ２ 煤（ 岩） 巷超前探测过程中遇到地质异常及处置办法 １ ） 主要地质异常。①煤层缺失或厚度异常（ 与预计厚度 相差较大） ， 出现这种情况多是由构造引起的。②多次穿煤穿 岩。③岩层破碎出现卡钻现象。④钻进过程中出现瓦斯异常 （ 顶钻、 夹钻及瓦斯浓度突然增高现象） 。⑤钻孔涌水量超过 ５ｍ ３／ ｈ 。 ２ ） 处置办法。①针对 １ ） 中的第①、 ②、 ③条， 现场作业人 员应立即向地测防治水部门汇报， 地测防治水部门接到汇报后 必须及时收集钻探资料， 分析出现异常的原因， 必要时修订超 前探测设计， 查明前方地质异常。②针对 １ ） 中的第④条， 现场 作业人员应立即按照已经制定的防瓦斯、 防灭火专项安全技术 措施执行， 并立即向矿调度室及通风防突部门汇报， 必要时撤 出受威胁区域的所有作业人员。③针对 １ ） 中的第⑤， 现场作 业人员应立即停止钻进且不得拨出钻杆， 并向矿调度室及地测 防治水部门汇报， 地测防治水部门接到汇报后， 必须立即安排 专业技术人员分析出水原因及水害情况， 采取针对性的安全技 术指施， 确认安全后方可继续作业。④矿地测防治水部门对异 常不能分析清楚或认为情况严重时， 需及时向上级单位汇报。 异常出水情况 在水害防治工作中， 有效提高现场作业人员水害辨识能 力， 采取正确的水害异常信息处置及上报， 能避免一定的水害 事故发生。 ２  １ 水害异常信息 １ ） 水温异常。矿井各个含水层如果没有经过大的裂隙或 构造导通， 会被煤层及隔水层隔开， 因埋深不一样， 故各个含水 层的温度有一定的差别。拿郑煤集团告成煤矿为例， 煤层顶板 主要受二叠系砂岩含水层影响， 距煤层 ２ ０～２ ０ ０ｍ ， 水温在 １ ７ ℃ ～ １ ８ ℃； 煤层底板含水层主要有太原群下段（ Ｌ １ － ４） 灰岩、 寒武 －奥陶系灰岩， 距煤层底板 ５ ０～７ ５ｍ ， 水温在 ２ ０ ℃ ～ ２ １ ℃。虽然顶板水与底板水温差只有 １ ℃ ～ ３ ℃， 差别小， 出水 单一的情况下， 也可以很快预判出是顶板出水还是底板出水。 在日常采掘过程中， 并不是出水都是本含水层的， 如果出水后 水温与掘进的含水层水温不一样， 就应采取其他手段进一步查 明出水水源。 ２ ） 水压异常。矿井应该建立完善的水位观测系统， 定期观 测各个含水层的水位。因各个含水层的水压不一样， 所以出水 后可以快速判断出是哪个含水层， 进而采取相关技术措施。 ３ ） 水质异常。水化学特征是判断各含水层最有效的方法。 由于各含水层的化学特征中阳离子 Ｃ ａ ２ ＋、 Ｍ ｇ２ ＋、 Ｋ＋ Ｎ ａ 和阴离 子 Ｓ Ｏ ２ － ４、 Ｃ Ｌ －、 Ｈ Ｃ Ｏ－ ３、 Ｎ Ｏ － ３所占量不同， 可以此判断出含水层。 如以郑煤集团告成煤矿河水及砂砾层水质为例， 都具有同样的 水化学类组成， 为 Ｈ Ｃ Ｏ ３ Ｓ Ｏ４－ Ｃ ａ Ｍ ｇ 型水质。 阳离子以 Ｃ ａ ２＋、 Ｍ ｇ ２ ＋为首， 含量分别占阳离子总量的 ７ ０ ％及 ２ ０ ％， Ｋ＋ Ｎ ａ 离子 含量占阳离子总量的 ７ ％左右； 阴离子中 Ｓ Ｏ ２ － ４ 占阴离子总量 的 ２ ７ ％， 而 Ｃ Ｌ －离子仅为 １ ２ ％左右， 并以较低的 Ｈ Ｃ Ｏ－ ３含量 １１１ 技术应用Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＭＡ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７ ， Ｎ ｏ ． ８ ， ２ ０ ２ ０ （ ２ ３ ２ｍ ｇ ／ Ｌ ） ， 较高的污染离子指标 Ｎ Ｏ － ３含量（ ３ ０ｍ ｇ ／ Ｌ ） 为阴 离子特征。Ｎ Ｏ － ３离子作为地下水的污染指标， 成为河水及第 四系砂砾层地下水的一种特征标记。通过多年收集的告成煤 矿各含水层的水化学特征， 基本可以判断顶板水 Ｃ ａ ２ ＋、 Ｍ ｇ２ ＋离 子含量低， 总硬度在 ３ ０ ％以下。又如底板太原组上段 Ｌ ７ － ８灰 岩与下段 Ｌ １－ ４灰岩为例， 水质类型随埋藏深度及所处环境而有 较大的变化， 通常 Ｌ ７－ ８灰岩含水层中 Ｃ ａ ２ ＋、 Ｍ ｇ２ ＋离子含量占阳 离子总量的 １ ０ ％左右或以内， 而 Ｌ １ － ４灰岩含水层中 Ｃ ａ ２ ＋、 Ｍ ｇ２ ＋ 离子含量占阳离子总量的 ４ ０ ％左右或以上， Ｌ ７ － ８灰岩含水层中 Ｋ ＋、 Ｎ ａ＋离子含量比 Ｌ ７ － ８灰岩含水层中高 ２ ０ ％以上。再如老 空水由于隔离已久， 水化学中 Ｓ Ｏ ２ － ４ 离子含量较高， 且时间越长 越高， 多的时候达阴离子含量的 ５ ０ ％左右。所以， 出水后， 及 时对水质进行化验， 是可以快速、 有效的确定出水的层位， 进而 采区有效的治水方法。 ４ ） 隔水层出水。所谓的隔水层， 就是不透水、 或透水性极 低的含水层， 如果在采掘过程中， 发现隔水层出水， 那么表明已 与含水层沟通， 就需通过其它办法确定出水通道、 水源。 ５ ） 出水量增加速度快， 或呈台阶式、 跳跃式增加。出水初 期由于出水通道不畅通， 水量较小， 但是随着时间的变化， 出水 通道逐渐扩大， 出水通道畅通， 水量就会迅速增加。告成煤矿 ２ １ ０ ４ １工作面， ２ ０ １ １年 ９月 ２ ４日 ６点左右工作面 ８ ７架出现涌 水， 最大涌水量２ ０ ０ｍ ３／ ｈ 左右， 后稳定在６ ０ｍ３／ ｈ 左右， 随即采 用埋线胶管装水引至下付巷后工作面继续生产； ２ ０ １ １年 ９月 ２ ５日 ９点 ２ ０分左右工作面 ２ ７架、 ２ ８架间隙之间出现大量溃 水， 瞬时最大水量 １８ ４ ０ｍ ３／ ｈ 。２ ０ １ １年 ９月 ３ ０日 ７ ３ ０ ， 工作 面 ３ ０ 架煤墙帮出水， 水量 １ ０ ０ｍ ３／ ｈ左右， 后水量增大到 １１ ６ ２ｍ ３／ ｈ （ 水量增大前 ２ｄ平均涌水量 ６ ５ ０ｍ３／ ｈ ） ， 最大量 １２ ３ ９ｍ ３／ ｈ ， 后 主 要 涌 水 点 位 置 在 ４ １架 处， 水 量 稳 定 在 ８ ０ ０ｍ ３／ ｈ 左右。此次突水带有大量的碎碴、 煤等杂物很快将工 作面淤实， 导致 ２ １ ０ ４ １工作面停采。这就是典型的初始出水通 道不通， 水量迅速增加， 而没有引起足够认识的水害事故， 所 以， 在出现水量增加速度快， 或呈台阶式、 跳跃式增加时， 一定 要停止采掘活动， 排除隐患后方可进行采掘活动。 ２  ２ 异常信息的处置 采掘工作面出现上述 ５种异常出水时， 现场作业人员首先 要立即停止作业（ 情况危急时撤出受水害威胁区域所有人 员） ， 报告矿调度室， 矿总工程师要组织地测科防治水等相关技 术人员查明原因， 采取妥善措施消除隐患。 建议及措施 １ ） 矿安全管理人员、 现场班组长应熟知地质异常信息及处 置方法。 ２ ） 安全管理人员、 相关区队管理人员应高度重视地质预报 和临时地质预报， 对预测预报中可能遇到的地质异常情况要制 定专项安全技术措施并贯彻执行。 ３ ） 矿地测科要认真收集矿井水文地质资料， 收集各含水层 的水化学特征， 建立完善的水位观测系统。 ４ ） 加强生产一线职工培训力度， 使其能够熟知出水的预兆 和应急处置措施。 作者简介 种雨刚（ １ ９ ８ ２－ ） ， 男， 陕西渭南人， 本科， 助理工程师， 从事 煤矿地质勘测工作。 （ 上接第 １ １ ０页） 可以进行下一步操作。若出现错误， 那么将出现报警信号， 这 样可以让技术人员进行处理。其次， 对水位上升速率指标进行 检测。假如未出现上述情况， 此时系统将会把当前时间和缓冲 器中的时间进行比较， 进而判断是否处于用电高峰期， 其他情 况以此类推。 假如系统用电处于高峰期， 为了能够有效地避免不必要的 用电负荷消耗， 可以对水泵用电设置节能延退控制。假如监测 到水位处于正常状态， 就暂时不启动水泵； 假如水位超过设置 值， 可启动水泵。与此同时， 需要观察水位上升的速率， 假如水 位上升速率比较大， 那么需要启动备用水泵； 当处于供电低估状 态， 而相应的检测到水位超过设定值， 那么可以启动当前排水 泵。当水位达到预警水位时， 可以启动备用水泵； 假如在开启备 用水泵之后， 水位上升依旧比较快， 就需要启动所有的水泵。 ２  ３ 其他功能 当程序处于正常的工作状态时， 必须把水泵的运行时间以 及对应的启动次数参数保存在储存器中。当需要启动水泵时， 系统需要优先筛选近期未启动的水泵， 与此同时启动水泵后， 需 要刷新水泵时钟储存器， 同时把运行参数传输给服务器。这样 能够有效地保护水泵， 防止其因较长时间的运行而出现磨损。 此外， 电控系统还设置了自我保护以及报警功能。其中主 要包括如下几个方面 水泵电机状态、 水泵入水口压力、 出水口 压力、 水泵轴温、 阀闸开闭状态等。①借助传感器对水泵电机 负载进行有效检测。②通过入水出水口的压力监测， 来确保水 泵不发生欠压现象。③借助反馈的阀闸开关信号来判断射流 泵以及出水阀是否能够正确打开。在系统进行自检时应该包 括如下几个方面 过载报警、 无反馈报警、 超温报警。当出现报 警时， 可以进行及时地维修。 结语 笔者基于河南某矿， 对井下排水泵电控系统进行自动化改 进。描述了 Ｐ Ｌ Ｃ设计的思路， 介绍点数分配等硬件设计， 同时 提出该电路应选用 “ 峰填谷” 电控方式。通过改造设计， 本矿 已经实现对水泵的自动化改造， 实现水泵的无人操作。经过统 计每年可以给该煤矿节省人力成本约 ２ ０万元， 相应的检测费 用节省近 ４ ０万元。经过对水泵运行情况进行改进， 每年泵房 综合耗能减少约２ ０ ％。经过工程实践发现， 改进之后的水泵电 控系统稳定可靠， 给该煤矿带来了较大的经济效益。 参考文献 ［ １ ］ 刘宏林， 孙新梅， 刘宏伟． 煤矿井下中央泵房排水设备电控 系统的 Ｐ Ｌ Ｃ改造［ Ｊ ］ ． 机电工程技术， ２ ０ １ ９ （ ８ ） ３ ３ － ３ ５ ． 作者简介 孙迎涛（ １ ９ ８ １－ ） ， 男， 河南叶县人， 本科， 研究方向 电气及 自动化。 ２１１