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摘要:駱駝山煤礦底板奧灰水的防治措施由疏水降壓改為底板區域超前探查與治理，礦井涌水量預計發生較大變化，原設計的2套礦井排水系統已不再適用。通過對礦井涌水量的變化、井下排水系統施工現狀、巷道所在地質層位、奧灰水突水威脅性進行分析和評價，優化了礦井排水系統設計方案，減少了礦井排水系統設備設施數量和排水管路布置，在保證礦井安全生產的同時，實現了科學合理排水，對降低礦井建設和維護成本、提高礦井經濟效益、保障礦井安全生產具有重要意義。
關鍵詞:排水系統;設計優化;突水威脅性評價;礦井安全生產
0引言
駱駝山井田位于內蒙古西部桌子山煤田背斜西翼中段，行政區劃隸屬烏海市海勃灣區，礦井主要受大氣降水及地表水、頂板砂巖水、奧灰水、東部邊界采空區積水4類水害影響。其中，奧陶系桌子山組為主要富水層段，井田范圍內的富水性、滲透系數、水質類型自東向西、由淺至深條帶狀分布，水文分布極其復雜，煤炭帶壓開采威脅嚴重，奧灰水的富水性分布不均一，井田內斷層、陷落柱等導水構造發育，礦井水文地質類型屬于極復雜類型［1］。2018年，根據國家煤礦安全監察局頒布的《煤礦防治水細則》相關要求［2］，駱駝山煤礦重新委托設計單位編制了礦井水害專項設計，底板奧灰水的防治措施由疏水降壓改為底板區域超前探查與治理，礦井涌水量發生明顯變化，但礦井排水系統如果仍按照以往的設計來施工，其設防能力遠遠高于實際涌水量，造成了排水設施的浪費和礦井生產成本的增加。因此，迫切需要針對礦井涌水的實際情況，對排水系統進行優化。
1礦井原設計排水系統概況
井下排水系統由+920m水平排水系統、+870m水平排水系統和抗災排水系統組成。其中，+870m水平排水系統目前已施工完成。+870m水平水倉有效容積為2520m3，主排水泵房管子道與一號副斜井相接，泵房內按5臺水泵、3趟排水管路布置，現已安裝5臺MD280-65×7型水泵。+920m水平排水系統目前尚未施工。水倉設計有效容積為8550m3，主排水泵房內設計安設MD580-70×6型水泵7臺。駱駝山煤礦礦井水文地質類型為極復雜型，根據《煤礦安全規程》及《煤礦防治水細則》要求，在+920m水平主水倉入口附近布置抗災排水系統，安設BQ725-397/15-1120/W-S型礦用潛水泵3臺?？篂呐潘梅磕壳吧形词┕?。
2排水系統優化改造可行性分析
此次+870m水平排水系統優化方案計劃取消尚未施工的+920m水平排水系統，同時對+870m水平排水系統進行擴容，增加第三環水倉，以滿足最新礦井涌水量的要求，并將抗災排水系統移至+870m水平排水系統附近，使總容積達到5000m3，滿足排水要求。
2．1修正后的礦井涌水量。由于底板奧灰水的防治措施由疏水降壓改為底板區域超前探查與治理，將不再涉及底板奧灰疏降涌水600m3/h。設計單位結合礦井采掘規劃對駱駝山煤礦礦井涌水量進行了修正:礦井正常涌水量為586．4m3/h，最大涌水量為741m3/h。
2．2礦井排水能力測算選型。根據修正后的礦井涌水量，重新對礦井排水能力進行測算。(1)水泵所需排水能力。正常涌水量時，Q=703．68m3/h;最大涌水量時，Q=889．2m3/h。(2)水泵所需揚程。+870m水平水泵房標高為+867m，按照排水管路立眼布置，對應地面標高為+1280m。沿程損失按照管路長度的10%考慮，并考慮5%的富余揚程。計算水泵揚程為:H=Z+hw=480m(1)(3)選擇水泵。根據目前+870m水平水泵房布置有5個泵位，確定采用2臺工作、2臺備用、1臺檢修的布置方式。參考相關水泵性能資料，選擇MD450-60×8型多級離心泵，其技術參數如下:額定流量450m3/h;額定揚程480m;額定效率79%;配隔爆型異步電動機，功率900kW，電壓10kV，轉速1480r/min。(4)驗算最大涌水量時工作水泵臺數。Zm=Qmax/Qe=1．64臺＜2臺。說明工作和備用水泵能在20h內排出礦井24h的最大涌水量，水泵臺數符合要求。(5)排水管路選型。計算排水管路直徑:D排=4Q3槡600×3．14×V(2)式中，V=1．8～2．2m/s，取V=1．8m/s。代入公式計算得，D排=0．297m。根據以上計算，采用?300mm、壁厚6mm的無縫鋼管，可以滿足排水要求。排水管路數量及敷設:沿副井敷設?300mm的排水管路4趟。正常涌水量時只需2趟運行，最大涌水期4趟管路排水。排水管路采用垂直鉆孔布置。(6)驗算排水時間及排水管中流速。正常涌水期的排水時間T=15．6h＜20h，最大涌水期的排水時間Tmax=9．88h＜20h，符合要求。綜上，水泵所需排水能力在正常涌水量時為703．68m3/h;最大涌水量時為889．2m3/h。+870m水平水泵房標高大約為+867m，排水鉆井孔口標高+1280m;考慮管路沿程損失和一定富余揚程，計算水泵揚程為480m。可選用MD450-60×8型多級離心泵，排水管路采用?300mm無縫鋼管。排水管路采用垂直鉆孔布置，敷設4趟?？篂呐潘到y在增加相應水泵揚程后，可選用3臺BQ725-503/19-1400/W型礦用隔爆型潛水電泵。
2．3新增水倉所在地質層位特征。根據礦井實測巷道剖面進行分析，新增+870m水平第三環水倉垂直于中央軌道大巷，向西側布置，幫距現有主水倉20m左右，水倉開口底板布置于奧灰巖頂界面上方7．5m處，水平延伸至奧灰頂界面上方泥巖及中砂巖內，下方為奧陶系灰巖。桌子山煤田奧灰巖結構以微晶和泥晶結構為主，孔隙小，且分布均勻，巖溶主要沿構造裂隙發育且相對較弱，不利于巖溶及陷落柱集中發育［3］。平面上表現為奧灰富水的不均一性，主要受構造控水因素影響較大，區域上一般東西向張性斷裂構造形成局部奧灰水富水區域。奧陶系灰巖含水層地下水水位多年來一直處于下降狀態，奧陶系灰巖含水層目前以靜儲量為主、動態補給量有限。區域內還分布有眾多的各類供水水源井，用水量較大。區域地下水采取量已超過巖溶子系統補給量，目前奧陶系灰巖含水層處于超采狀態［1］。
2．4探查、驗證工作實例。2015年8月，采用井下直流電法測深側幫，探測巷道總長度310m，探測了側幫向外60m深度范圍、頂底板5～10m深度范圍內低阻異常分布范圍、特征及相對強弱。此次水倉二環巷道側幫探測共發現5處低阻異常區。2017年12月，根據2015年+870m水平主水倉井下物探成果，通過鉆探探放水對物探探查出的異常區進行鉆探驗證，查明物探異常區構造發育及導、富水情況。此次施工的4個異常區探查孔，探放水孔鉆進地層均為石灰巖，未揭露破碎巖層，鉆孔內無涌水，說明該處構造裂隙不發育，排除了物探異常區奧灰富水的可能(圖1)。
2．5排水系統改造可行性分析。在駱駝山煤礦+870m水平水倉改造區域，地面三維地震勘探未發現構造發育。該區段已施工的中央軌道大巷、中央變電所硐室及原內外環水倉均未揭露構造及奧灰富水區，巷探工程排除了井下主排水系統區域發育有大型導水構造的可能，且周邊奧陶系灰巖含水層地下水水位常年呈持續下降趨勢?？梢姡?870m排水系統受到周邊奧灰巖含水層威脅，但威脅程度有限，在采取有效措施的基礎上可對奧灰水害進行防治。+870m水平水倉改造主要為新掘水倉硐室，防治水方法主要為局部探放水，采用物探及鉆探等基本方法即可，防治方法技術成熟，難度較小，探查治理后無盲區，可行性較強。
3奧灰水突水危險性評價
3．1奧陶系灰巖突水危險性分析。+870m水平排水系統位于奧陶系灰巖頂部，充水水源為奧陶系灰巖巖溶水。根據水文地質補勘抽水試驗成果，奧灰巖含水層單位涌水量0．0020～1．4396L/(s·m)，滲透系數0．0018～4．2200m/d，富水性極不均一［4］。目前井田奧灰水位+1060m，新增水倉附近帶奧灰水壓2．0MPa左右，巷道掘進存在導通奧灰水的可能。在巷道掘進時，采動擾動將使底板巖層連續性遭到破壞，使該部分巖層失去隔水能力，導致底板隔水層有效厚度變薄、底板突水危險性提高。因此，根據《煤礦防治水細則》，從2個方面對+870m水平排水系統掘進巷道底板突水危險性進行評價:①巷道掘進底板隔水層安全厚度;②底板隔水層厚度一定時奧陶系灰巖安全水頭。3．1．1巷道掘進底板隔水層安全厚度根據《煤礦防治水細則》，計算掘進巷道安全底板隔水層厚度:t=L(γ2L2+8Kp槡P－γL)4Kp(3)式中，t為安全隔水層厚度;L為巷道底板寬度;γ為底板隔水層的平均容重;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度;P為底板隔水層承受的實際水頭值。將數據代入公式計算得出，新增水倉的安全隔水層厚度為1．62m。根據公式計算掘進巷道底板隔水層安全厚度t，與巷道掘進底板有效隔水層厚度t有效相比較，若t≤t有效，則安全或極限平衡;若t≥t有效，則有可能發生突水。其中，t有效為+870m水平排水系統底板隔水層厚度減去巷道掘進底板破壞深度2．8m。新增水倉底板距奧灰頂界面最小9．03m，最大23．34m，即6．23m≤t有效≤20．54m，均遠大于1．62m，可見掘進過程中是安全的。3．1．2底板破壞帶計算根據西安煤科院2012年1月出具的《駱駝山煤礦水文地質補充性勘探報告》研究成果，確定相應巖石力學參數。(1)考慮破壞巖石的內摩擦角，應用圓形巷道圍巖破壞帶計算公式:R=a2p0－C0(1+b)p[]11d－1(4)b=1+sinφ1－sinφ，C0=2Ccosφ1－sinφ，d=1+sinφf1－sinφf(5)式中，φf為破裂巖石的內摩擦角。經計算，巷道圍巖破壞帶為2．4m，即巷道底板破壞深度為2．4m。(2)依據+870m水平排水系統周邊實際情況，應用FLAC3D軟件對巷道應力應變場進行了模擬。數值模擬結果顯示，巷道底板破壞深度為2．6～2．8m。對比公式計算和數值模擬結果，確定巷道掘進底板破壞深度取最大值2．8m。巷道掘進底板隔水層平均有效厚度為16．19m，掘進時的有效隔水層平均厚度遠大于巷道掘進底板破壞深度2．8m。可以推斷，+870m水平排水系統掘進過程中巷道底板基本是安全的［5］。3．1．3巷道底板有效隔水層安全水頭根據《煤礦防治水細則》，掘進巷道安全水頭計算:P=2Kpt2L2+γt(6)經計算，底板有效隔水層能夠承受的安全水壓為29．13MPa，而新增水倉承受的實際奧灰水水頭壓力約為2．0MPa，實際奧灰水水壓遠小于底板能夠承受的安全水壓，巷道掘進過程中不會發生突水威脅。此外，根據水文地質補勘成果，底板標高+740m以下區域，實際奧灰水水壓接近底板隔水層能夠承受的安全水壓。而+870m水平排水系統標高為+866．447m，遠在標高+740m以上。以此可推斷，+870m水平排水系統受底板奧陶系灰巖突水威脅程度較低。
3．2水害安全評價。+870m水平排水系統面臨的主要水害隱患為底板奧灰水。+870m水平排水系統奧灰頂界面由北向南傾斜，水倉北側距奧灰頂界面9．0m，水倉南側距奧灰頂界面23．4m，+870m水平排水系統底板受奧灰水壓為2．0MPa，奧灰水突水系數介于0．085～0．222MPa/m。根據高分辨電磁探測奧灰富水異常區及構造異常區結果，整體上探測區域未發現大面積低阻異常，由外水倉至內水倉方向物探電阻率反映為高阻，推測抗災排水泵房方向出現強低阻異常的可能性較小。通過綜合前述內容，+870m水平排水系統巷道掘進時基本上可排除奧灰突水的可能性，但仍可能存在局部構造導水及富水異常。所以，+870m水平排水系統巷道在施工時，建議增加相應的防治水工程，確保實現安全掘進。
4防治水保障措施
4．1防治水方案總體思路。鑒于+870m水平排水系統主要水害為底板奧灰水，采用井下定向鉆探對+870m水平以下55m含水層進行注漿加固，改造底板隔水層，并制定相應的管理措施及應急預案。
4．2防治水安全保障措施。4．2．1奧灰巖底板加固改造。按照奧灰巖底板加固改造的要求，在+870m水平水倉附近開展防治水工作。以底板隔水層強滲流導水通道探查和治理為重點，結合奧陶系灰巖底板進行注漿加固、改造底板隔水層對水害進行防治，采取井下治理的手段。+870m水平排水系統奧灰巖底板加固改造的范圍從擴建水倉外環外擴30m。+870m水平排水系統設計分支孔平行段直接間距為40～60m，分支井平行段間距為30m，垂深為55m，探查與底板注漿改造標高為+805m。鉆孔采用叉子式布置方式。奧灰巖底板注漿加固采用孔口封閉靜壓前進式分段注漿法，注漿順序采用插花式跳孔施工方法。漿孔口壓力暫定為4MPa，當孔口壓力和注漿量達到注漿結束標準后，維持30min后結束［6-9］。注漿完成后，施工+870m水平排水系統奧灰超前注漿改造檢查孔2個，同時采用相應的物探手段，綜合對區域治理進行效果檢驗和評價。4．2．2巷道掘進時安全保障措施。(1)按照“先探后掘、有掘必探”原則積極開展井下防治水工作，在巷道掘進施工前，采用鉆探超前探的方法對掘進前方進行探查;在巷道掘進面備齊臨時排水設施，加強工作面排水工作，并制定專門的掘進施工安全規程。(2)及時預測掘進工作面前方地質構造情況，若發現有水患時，應及時采取措施，待確認安全后方可向前掘進，對低阻異常區進行揭露時，必須進行水溫、水量、水質、含砂量等水文動態綜合觀測和分析。(3)掘進工作面出現突水預兆時，必須停止作業，采取措施，立即報告礦生產指揮中心，發出警報，撤出所有受水威脅地點的人員，并參照《駱駝山煤礦2019年礦井應急救援預案》相關內容執行。
5建議
(1)目前已安裝的水泵排水能力不足，應重新更換+870m水平水泵房設備。同時，考慮增加3370m區域水害探查及治理(含檢查孔)工程量對施工進度和工程投入的影響。(2)在施工奧灰巖底板加固改造工程過程中，嚴格按照施工組織設計施工。(3)加強掘進巷道的工程質量管理，必要時采取提高巷道支護強度、壁后注漿加固圍巖等相應防治水措施。
6結論
(1)本次優化方案將2套排水系統合理優化為1套排水系統，提高了礦井排水效率，有利于日常管理。礦井排水系統布置于礦井最低點水平，在礦井開采16號煤層時，減少了采區排水系統環節，提高了排水系統運行可靠性，更有利于實現礦井安全高效生產。(2)通過對礦井涌水量的變化、井下排水系統施工現狀、巷道所在地質層位、奧灰水突水威脅性進行分析和評價，優化了礦井排水系統設計方案，減少了礦井排水系統設備設施數量和排水管路布置。在保證礦井安全生產的同時，降低了礦井建設工期和維護成本，實現了礦井的科學合理排水，提高了礦井經濟效益，增強了礦井抗災能力。
作者:趙悅文 單位:國家能源集團烏海能源公司駱駝山煤礦
