摘要:骆驼山煤矿底板奥灰水的防治措施由疏水降压改为底板区域超前探查与治理，矿井涌水量预计发生较大变化，原设计的2套矿井排水系统已不再适用。通过对矿井涌水量的变化、井下排水系统施工现状、巷道所在地质层位、奥灰水突水威胁性进行分析和评价，优化了矿井排水系统设计方案，减少了矿井排水系统设备设施数量和排水管路布置，在保证矿井安全生产的同时，实现了科学合理排水，对降低矿井建设和维护成本、提高矿井经济效益、保障矿井安全生产具有重要意义。
关键词:排水系统;设计优化;突水威胁性评价;矿井安全生产
0引言
骆驼山井田位于内蒙古西部桌子山煤田背斜西翼中段，行政区划隶属乌海市海勃湾区，矿井主要受大气降水及地表水、顶板砂岩水、奥灰水、东部边界采空区积水4类水害影响。其中，奥陶系桌子山组为主要富水层段，井田范围内的富水性、渗透系数、水质类型自东向西、由浅至深条带状分布，水文分布极其复杂，煤炭带压开采威胁严重，奥灰水的富水性分布不均一，井田内断层、陷落柱等导水构造发育，矿井水文地质类型属于极复杂类型［1］。2018年，根据国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿防治水细则》相关要求［2］，骆驼山煤矿重新委托设计单位编制了矿井水害专项设计，底板奥灰水的防治措施由疏水降压改为底板区域超前探查与治理，矿井涌水量发生明显变化，但矿井排水系统如果仍按照以往的设计来施工，其设防能力远远高于实际涌水量，造成了排水设施的浪费和矿井生产成本的增加。因此，迫切需要针对矿井涌水的实际情况，对排水系统进行优化。
1矿井原设计排水系统概况
井下排水系统由+920m水平排水系统、+870m水平排水系统和抗灾排水系统组成。其中，+870m水平排水系统目前已施工完成。+870m水平水仓有效容积为2520m3，主排水泵房管子道与一号副斜井相接，泵房内按5台水泵、3趟排水管路布置，现已安装5台MD280-65×7型水泵。+920m水平排水系统目前尚未施工。水仓设计有效容积为8550m3，主排水泵房内设计安设MD580-70×6型水泵7台。骆驼山煤矿矿井水文地质类型为极复杂型，根据《煤矿安全规程》及《煤矿防治水细则》要求，在+920m水平主水仓入口附近布置抗灾排水系统，安设BQ725-397/15-1120/W-S型矿用潜水泵3台。抗灾排水泵房目前尚未施工。
2排水系统优化改造可行性分析
此次+870m水平排水系统优化方案计划取消尚未施工的+920m水平排水系统，同时对+870m水平排水系统进行扩容，增加第三环水仓，以满足最新矿井涌水量的要求，并将抗灾排水系统移至+870m水平排水系统附近，使总容积达到5000m3，满足排水要求。
2．1修正后的矿井涌水量。由于底板奥灰水的防治措施由疏水降压改为底板区域超前探查与治理，将不再涉及底板奥灰疏降涌水600m3/h。设计单位结合矿井采掘规划对骆驼山煤矿矿井涌水量进行了修正:矿井正常涌水量为586．4m3/h，最大涌水量为741m3/h。
2．2矿井排水能力测算选型。根据修正后的矿井涌水量，重新对矿井排水能力进行测算。(1)水泵所需排水能力。正常涌水量时，Q=703．68m3/h;最大涌水量时，Q=889．2m3/h。(2)水泵所需扬程。+870m水平水泵房标高为+867m，按照排水管路立眼布置，对应地面标高为+1280m。沿程损失按照管路长度的10%考虑，并考虑5%的富余扬程。计算水泵扬程为:H=Z+hw=480m(1)(3)选择水泵。根据目前+870m水平水泵房布置有5个泵位，确定采用2台工作、2台备用、1台检修的布置方式。参考相关水泵性能资料，选择MD450-60×8型多级离心泵，其技术参数如下:额定流量450m3/h;额定扬程480m;额定效率79%;配隔爆型异步电动机，功率900kW，电压10kV，转速1480r/min。(4)验算最大涌水量时工作水泵台数。Zm=Qmax/Qe=1．64台＜2台。说明工作和备用水泵能在20h内排出矿井24h的最大涌水量，水泵台数符合要求。(5)排水管路选型。计算排水管路直径:D排=4Q3槡600×3．14×V(2)式中，V=1．8～2．2m/s，取V=1．8m/s。代入公式计算得，D排=0．297m。根据以上计算，采用?300mm、壁厚6mm的无缝钢管，可以满足排水要求。排水管路数量及敷设:沿副井敷设?300mm的排水管路4趟。正常涌水量时只需2趟运行，最大涌水期4趟管路排水。排水管路采用垂直钻孔布置。(6)验算排水时间及排水管中流速。正常涌水期的排水时间T=15．6h＜20h，最大涌水期的排水时间Tmax=9．88h＜20h，符合要求。综上，水泵所需排水能力在正常涌水量时为703．68m3/h;最大涌水量时为889．2m3/h。+870m水平水泵房标高大约为+867m，排水钻井孔口标高+1280m;考虑管路沿程损失和一定富余扬程，计算水泵扬程为480m。可选用MD450-60×8型多级离心泵，排水管路采用?300mm无缝钢管。排水管路采用垂直钻孔布置，敷设4趟。抗灾排水系统在增加相应水泵扬程后，可选用3台BQ725-503/19-1400/W型矿用隔爆型潜水电泵。
2．3新增水仓所在地质层位特征。根据矿井实测巷道剖面进行分析，新增+870m水平第三环水仓垂直于中央轨道大巷，向西侧布置，帮距现有主水仓20m左右，水仓开口底板布置于奥灰岩顶界面上方7．5m处，水平延伸至奥灰顶界面上方泥岩及中砂岩内，下方为奥陶系灰岩。桌子山煤田奥灰岩结构以微晶和泥晶结构为主，孔隙小，且分布均匀，岩溶主要沿构造裂隙发育且相对较弱，不利于岩溶及陷落柱集中发育［3］。平面上表现为奥灰富水的不均一性，主要受构造控水因素影响较大，区域上一般东西向张性断裂构造形成局部奥灰水富水区域。奥陶系灰岩含水层地下水水位多年来一直处于下降状态，奥陶系灰岩含水层目前以静储量为主、动态补给量有限。区域内还分布有众多的各类供水水源井，用水量较大。区域地下水采取量已超过岩溶子系统补给量，目前奥陶系灰岩含水层处于超采状态［1］。
2．4探查、验证工作实例。2015年8月，采用井下直流电法测深侧帮，探测巷道总长度310m，探测了侧帮向外60m深度范围、顶底板5～10m深度范围内低阻异常分布范围、特征及相对强弱。此次水仓二环巷道侧帮探测共发现5处低阻异常区。2017年12月，根据2015年+870m水平主水仓井下物探成果，通过钻探探放水对物探探查出的异常区进行钻探验证，查明物探异常区构造发育及导、富水情况。此次施工的4个异常区探查孔，探放水孔钻进地层均为石灰岩，未揭露破碎岩层，钻孔内无涌水，说明该处构造裂隙不发育，排除了物探异常区奥灰富水的可能(图1)。
2．5排水系统改造可行性分析。在骆驼山煤矿+870m水平水仓改造区域，地面三维地震勘探未发现构造发育。该区段已施工的中央轨道大巷、中央变电所硐室及原内外环水仓均未揭露构造及奥灰富水区，巷探工程排除了井下主排水系统区域发育有大型导水构造的可能，且周边奥陶系灰岩含水层地下水水位常年呈持续下降趋势。可见，+870m排水系统受到周边奥灰岩含水层威胁，但威胁程度有限，在采取有效措施的基础上可对奥灰水害进行防治。+870m水平水仓改造主要为新掘水仓硐室，防治水方法主要为局部探放水，采用物探及钻探等基本方法即可，防治方法技术成熟，难度较小，探查治理后无盲区，可行性较强。
3奥灰水突水危险性评价
3．1奥陶系灰岩突水危险性分析。+870m水平排水系统位于奥陶系灰岩顶部，充水水源为奥陶系灰岩岩溶水。根据水文地质补勘抽水试验成果，奥灰岩含水层单位涌水量0．0020～1．4396L/(s·m)，渗透系数0．0018～4．2200m/d，富水性极不均一［4］。目前井田奥灰水位+1060m，新增水仓附近带奥灰水压2．0MPa左右，巷道掘进存在导通奥灰水的可能。在巷道掘进时，采动扰动将使底板岩层连续性遭到破坏，使该部分岩层失去隔水能力，导致底板隔水层有效厚度变薄、底板突水危险性提高。因此，根据《煤矿防治水细则》，从2个方面对+870m水平排水系统掘进巷道底板突水危险性进行评价:①巷道掘进底板隔水层安全厚度;②底板隔水层厚度一定时奥陶系灰岩安全水头。3．1．1巷道掘进底板隔水层安全厚度根据《煤矿防治水细则》，计算掘进巷道安全底板隔水层厚度:t=L(γ2L2+8Kp槡P－γL)4Kp(3)式中，t为安全隔水层厚度;L为巷道底板宽度;γ为底板隔水层的平均容重;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度;P为底板隔水层承受的实际水头值。将数据代入公式计算得出，新增水仓的安全隔水层厚度为1．62m。根据公式计算掘进巷道底板隔水层安全厚度t，与巷道掘进底板有效隔水层厚度t有效相比较，若t≤t有效，则安全或极限平衡;若t≥t有效，则有可能发生突水。其中，t有效为+870m水平排水系统底板隔水层厚度减去巷道掘进底板破坏深度2．8m。新增水仓底板距奥灰顶界面最小9．03m，最大23．34m，即6．23m≤t有效≤20．54m，均远大于1．62m，可见掘进过程中是安全的。3．1．2底板破坏带计算根据西安煤科院2012年1月出具的《骆驼山煤矿水文地质补充性勘探报告》研究成果，确定相应岩石力学参数。(1)考虑破坏岩石的内摩擦角，应用圆形巷道围岩破坏带计算公式:R=a2p0－C0(1+b)p[]11d－1(4)b=1+sinφ1－sinφ，C0=2Ccosφ1－sinφ，d=1+sinφf1－sinφf(5)式中，φf为破裂岩石的内摩擦角。经计算，巷道围岩破坏带为2．4m，即巷道底板破坏深度为2．4m。(2)依据+870m水平排水系统周边实际情况，应用FLAC3D软件对巷道应力应变场进行了模拟。数值模拟结果显示，巷道底板破坏深度为2．6～2．8m。对比公式计算和数值模拟结果，确定巷道掘进底板破坏深度取最大值2．8m。巷道掘进底板隔水层平均有效厚度为16．19m，掘进时的有效隔水层平均厚度远大于巷道掘进底板破坏深度2．8m。可以推断，+870m水平排水系统掘进过程中巷道底板基本是安全的［5］。3．1．3巷道底板有效隔水层安全水头根据《煤矿防治水细则》，掘进巷道安全水头计算:P=2Kpt2L2+γt(6)经计算，底板有效隔水层能够承受的安全水压为29．13MPa，而新增水仓承受的实际奥灰水水头压力约为2．0MPa，实际奥灰水水压远小于底板能够承受的安全水压，巷道掘进过程中不会发生突水威胁。此外，根据水文地质补勘成果，底板标高+740m以下区域，实际奥灰水水压接近底板隔水层能够承受的安全水压。而+870m水平排水系统标高为+866．447m，远在标高+740m以上。以此可推断，+870m水平排水系统受底板奥陶系灰岩突水威胁程度较低。
3．2水害安全评价。+870m水平排水系统面临的主要水害隐患为底板奥灰水。+870m水平排水系统奥灰顶界面由北向南倾斜，水仓北侧距奥灰顶界面9．0m，水仓南侧距奥灰顶界面23．4m，+870m水平排水系统底板受奥灰水压为2．0MPa，奥灰水突水系数介于0．085～0．222MPa/m。根据高分辨电磁探测奥灰富水异常区及构造异常区结果，整体上探测区域未发现大面积低阻异常，由外水仓至内水仓方向物探电阻率反映为高阻，推测抗灾排水泵房方向出现强低阻异常的可能性较小。通过综合前述内容，+870m水平排水系统巷道掘进时基本上可排除奥灰突水的可能性，但仍可能存在局部构造导水及富水异常。所以，+870m水平排水系统巷道在施工时，建议增加相应的防治水工程，确保实现安全掘进。
4防治水保障措施
4．1防治水方案总体思路。鉴于+870m水平排水系统主要水害为底板奥灰水，采用井下定向钻探对+870m水平以下55m含水层进行注浆加固，改造底板隔水层，并制定相应的管理措施及应急预案。
4．2防治水安全保障措施。4．2．1奥灰岩底板加固改造。按照奥灰岩底板加固改造的要求，在+870m水平水仓附近开展防治水工作。以底板隔水层强渗流导水通道探查和治理为重点，结合奥陶系灰岩底板进行注浆加固、改造底板隔水层对水害进行防治，采取井下治理的手段。+870m水平排水系统奥灰岩底板加固改造的范围从扩建水仓外环外扩30m。+870m水平排水系统设计分支孔平行段直接间距为40～60m，分支井平行段间距为30m，垂深为55m，探查与底板注浆改造标高为+805m。钻孔采用叉子式布置方式。奥灰岩底板注浆加固采用孔口封闭静压前进式分段注浆法，注浆顺序采用插花式跳孔施工方法。浆孔口压力暂定为4MPa，当孔口压力和注浆量达到注浆结束标准后，维持30min后结束［6-9］。注浆完成后，施工+870m水平排水系统奥灰超前注浆改造检查孔2个，同时采用相应的物探手段，综合对区域治理进行效果检验和评价。4．2．2巷道掘进时安全保障措施。(1)按照“先探后掘、有掘必探”原则积极开展井下防治水工作，在巷道掘进施工前，采用钻探超前探的方法对掘进前方进行探查;在巷道掘进面备齐临时排水设施，加强工作面排水工作，并制定专门的掘进施工安全规程。(2)及时预测掘进工作面前方地质构造情况，若发现有水患时，应及时采取措施，待确认安全后方可向前掘进，对低阻异常区进行揭露时，必须进行水温、水量、水质、含砂量等水文动态综合观测和分析。(3)掘进工作面出现突水预兆时，必须停止作业，采取措施，立即报告矿生产指挥中心，发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员，并参照《骆驼山煤矿2019年矿井应急救援预案》相关内容执行。
5建议
(1)目前已安装的水泵排水能力不足，应重新更换+870m水平水泵房设备。同时，考虑增加3370m区域水害探查及治理(含检查孔)工程量对施工进度和工程投入的影响。(2)在施工奥灰岩底板加固改造工程过程中，严格按照施工组织设计施工。(3)加强掘进巷道的工程质量管理，必要时采取提高巷道支护强度、壁后注浆加固围岩等相应防治水措施。
6结论
(1)本次优化方案将2套排水系统合理优化为1套排水系统，提高了矿井排水效率，有利于日常管理。矿井排水系统布置于矿井最低点水平，在矿井开采16号煤层时，减少了采区排水系统环节，提高了排水系统运行可靠性，更有利于实现矿井安全高效生产。(2)通过对矿井涌水量的变化、井下排水系统施工现状、巷道所在地质层位、奥灰水突水威胁性进行分析和评价，优化了矿井排水系统设计方案，减少了矿井排水系统设备设施数量和排水管路布置。在保证矿井安全生产的同时，降低了矿井建设工期和维护成本，实现了矿井的科学合理排水，提高了矿井经济效益，增强了矿井抗灾能力。
作者:赵悦文 单位:国家能源集团乌海能源公司骆驼山煤矿
