煤礦井下采空區(qū)防突水安全評(píng)價(jià)與治理

煤礦井下采空區(qū)防突水安全評(píng)價(jià)與治理

1神東礦區(qū)保水開采的研究進(jìn)展中國長距離采礦業(yè)的發(fā)展和利用帶來的環(huán)境問題越來越明顯。煤炭開采后給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，如農(nóng)田及建筑物破壞、矸石堆積如山、河川徑流量減少、水資源枯竭、土地沙漠化等。為此，中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士提出了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的綠色開采技術(shù)，保水開采技術(shù)是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。保水開采就是在采煤的過程中，對(duì)水資源進(jìn)行有意識(shí)的保護(hù)，并對(duì)礦井排水進(jìn)行資源化利用，使煤炭開采對(duì)礦區(qū)水文環(huán)境的擾動(dòng)量小于區(qū)域水文環(huán)境容量。我國西北地區(qū)煤炭資源豐富，煤層厚、埋藏淺，人為地疏放排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙造成煤系含水層和第四系含水層的流失，破壞了地表及地下水資源。目前，西北各礦區(qū)已開始重視保水開采問題，并已經(jīng)開展了許多相關(guān)的研究。這些研究成果多從限制采高、留設(shè)煤巖柱、變革采煤方法以及劃分開采條件分區(qū)等方面展開，使得導(dǎo)水通道不至于貫通含水層，從而達(dá)到減少水資源流失、實(shí)現(xiàn)保水開采的目的。此類方法所用技術(shù)途徑均屬于文獻(xiàn)中所述“含水層不破壞或破壞后能恢復(fù)的技術(shù)”，而通過文獻(xiàn)中所述第2個(gè)分支(即井下排水的凈化與循環(huán)利用技術(shù))來進(jìn)行保水開采的研究卻很少。神東礦區(qū)作為西部缺水地區(qū)的典型代表，其在保水開采方面也做了很多工作。該礦區(qū)大柳塔煤礦創(chuàng)造性地將井下排水通過采空區(qū)矸石的過濾、凈化后，再次用于礦井的生產(chǎn)及生活，實(shí)現(xiàn)了礦井水的循環(huán)利用，為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境起到了積極的作用。2循環(huán)利用井下排水煤礦井下生產(chǎn)時(shí)，一方面會(huì)引起圍巖含水通過導(dǎo)水通道涌出，另一方面又會(huì)產(chǎn)生一些生產(chǎn)污水，這些水體最終會(huì)由工作面一并排出。為了循環(huán)利用井下排水，避免水資源的流失，傳統(tǒng)的方法是將井下排水輸送至井下或地面專設(shè)的污水處理設(shè)施進(jìn)行凈化，然后再利用。此方法凈化污水成本較高，且增加了礦井排水系統(tǒng)的復(fù)雜性。大柳塔煤礦首次將采空區(qū)矸石作為過濾、凈化污水的載體，將井下排水直接注入采空區(qū)進(jìn)行凈化處理，大幅降低了成本，相比傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)越性。2.1地下水的供排大柳塔礦井水綜合循環(huán)利用工藝流程及其立體表征如圖1和圖2所示。井下污水凈化區(qū)域主要為2-2煤已開采的四盤區(qū)、老六盤區(qū)以及六盤區(qū)采空區(qū)。對(duì)于2-2煤本煤層采掘工作面的污水，一部分通過管道直接由各采空區(qū)注水點(diǎn)(如406注水點(diǎn))注入采空區(qū)進(jìn)行過濾、凈化，另一部分則通過排水管路或水溝排至地面進(jìn)行處理;經(jīng)采空區(qū)凈化后的清水則會(huì)通過各清水源供水點(diǎn)(如201清水源)，一部分由管路輸送至各采掘工作面用水點(diǎn)使用，另一部分通過2號(hào)煤平硐自流管路自流至地面供工業(yè)廣場(chǎng)的生產(chǎn)、生活使用。而對(duì)于5-2煤連采面污水，一部分由大巷排水管經(jīng)5-2煤主斜井排至地面處理，另一部分則通過5-2煤排水管路經(jīng)5-2煤排水鉆孔向上泵排至2-2煤四盤區(qū)采空區(qū)井下凈化;5-2煤連采面所需的清水則同樣由5-2煤供水鉆孔直接自流(無需加壓泵)至5-2煤供水管路中，最終供掘進(jìn)工作面使用(圖3、圖4)。其中，各供排水管路中分別設(shè)水倉作為輸送水的中轉(zhuǎn)站。由于井下供污水凈化的采空區(qū)空間有限，因此地面也設(shè)置了專用的污水處理廠，將井下不能處理的污水進(jìn)行處理，然后再經(jīng)水深度處理廠處理達(dá)到生活用水標(biāo)準(zhǔn)后，最終使用于地面生產(chǎn)、生活中。由于礦區(qū)供水水源總體比較緊張，經(jīng)過上述循環(huán)系統(tǒng)供井下和地面生產(chǎn)、生活使用后，井下所有水資源幾乎得到全部利用。該套礦井水綜合循環(huán)利用工藝，將地面及井下的污水處理和清水使用緊密地聯(lián)系在一起，形成了一套完整的礦井水資源綜合循環(huán)利用系統(tǒng)，達(dá)到了保護(hù)水資源、充分利用水資源的目的。2.2加強(qiáng)采空區(qū)污染物管理為確保采空區(qū)過濾凈化后清水的水質(zhì)，保證礦區(qū)的正常生產(chǎn)、生活用水，避免水中有毒有害物質(zhì)超標(biāo)，特制定了井下水質(zhì)保證專項(xiàng)措施。1)必須加強(qiáng)水質(zhì)的源頭、過程管理，機(jī)電組和設(shè)備使用單位必須設(shè)置專職或兼職油脂管理人員，礦機(jī)電副總工程師應(yīng)負(fù)責(zé)本單位的油脂管理工作。2)各級(jí)管理人員必須加強(qiáng)采空區(qū)雜物管理，嚴(yán)禁將飯盒、塑料袋、礦泉水瓶，機(jī)電檢修后剩余的膠帶、冷補(bǔ)膠、螺栓松動(dòng)劑、乳化液等物質(zhì)丟棄在采空區(qū)，所有污染物必須回收升井。3)廢油應(yīng)及時(shí)回收上井，并交礦有關(guān)部門統(tǒng)一存放和處理，不得與新油混放或丟棄在采空區(qū)。3采空區(qū)突水事故防治目前大柳塔煤礦井下采空區(qū)積水區(qū)域共11處，積水采空區(qū)面積達(dá)到495.7萬m2，積水量達(dá)77.5萬m3。由于采空區(qū)儲(chǔ)水空間有限，大量積水的存在必然導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)水壓的上升，一旦某處防水密閉出現(xiàn)破裂，就會(huì)造成淹井事故的發(fā)生。為了杜絕采空區(qū)突水事故的發(fā)生，排除潛在的安全隱患，大柳塔煤礦采取了一系列防突安全措施。首先，以混凝土防水密閉加固各儲(chǔ)水采空區(qū)與大巷交叉的平巷出口;其次，在地勢(shì)較低的采空區(qū)平巷口(包括402回風(fēng)巷出口、201泵房、406泵房、608、609、610、611等回風(fēng)巷出口)加設(shè)采空區(qū)水位觀測(cè)透明膠管以及泄水管路(圖5);最后，建立采空區(qū)水位觀測(cè)臺(tái)賬，每班安排專人觀測(cè)水位情況，并匯報(bào)至調(diào)度室，當(dāng)采空區(qū)水位超過警戒水位時(shí)，立即打開泄水閥進(jìn)行疏放措施。疏放的清水通過水溝流入附近的水倉，最終供工作面生產(chǎn)和地面使用。4應(yīng)用效果分析4.1產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)通過水質(zhì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表1)，經(jīng)過矸石過濾凈化后的清水水質(zhì)良好，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了GB50383—2006《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB/T18920—2002《城市污水再生利用，城市雜用水水質(zhì)》的標(biāo)準(zhǔn)。4.2投入和節(jié)約費(fèi)用大柳塔煤礦這套保水開采技術(shù)采用矸石過濾凈化處理污水，相比直接將污水排至地面進(jìn)行處理或排放，大幅降低了生產(chǎn)成本，其所需增加投入的費(fèi)用以及每年節(jié)約的費(fèi)用明細(xì)如下。(1)投入費(fèi)用。管路購置費(fèi)41.55萬元，水倉及配電設(shè)施費(fèi)用141.5萬元，水泵費(fèi)用70萬元，密閉加固費(fèi)26萬元，設(shè)備維護(hù)與檢修費(fèi)10萬元。(2)節(jié)約費(fèi)用。節(jié)約污水處理費(fèi)208.5萬元/a，電費(fèi)26.28萬元/a，排水崗位工資費(fèi)7.12萬元/a，井下供水費(fèi)26.28萬元/a。從以上分析可以看出，投入費(fèi)用需289.05萬元，每年可節(jié)約費(fèi)用268.18萬元，應(yīng)用此套系統(tǒng)前期所需投入的費(fèi)用經(jīng)過一年多的時(shí)間就能通過自身達(dá)到經(jīng)濟(jì)平衡，經(jīng)濟(jì)效益顯著。4.3減少污水cod通過使用此處理系統(tǒng)，可每天向外減少排污4968m3，每年向外排放的COD(化學(xué)需氧量)減少81.6t，同時(shí)也緩解了礦區(qū)生活用水水源短缺的緊張局面。此套保水開采系統(tǒng)的實(shí)施，符合環(huán)境友好型企業(yè)的要求，實(shí)現(xiàn)了礦井經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境效益顯著。5經(jīng)濟(jì)效益顯著1)大柳塔煤礦創(chuàng)造性地以采空區(qū)矸石作為過濾、凈化污水的載體，將井下排水直接注入采空區(qū)進(jìn)行凈化處理，然后用于井下工作面生產(chǎn)及地面的生產(chǎn)、生活使用，實(shí)現(xiàn)了礦井水的循環(huán)利用，為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境起到了積極的作用，同時(shí)減輕了地面污水處理廠的壓力，且節(jié)約了污水處理費(fèi)用。2)創(chuàng)造了神東礦區(qū)首個(gè)鄰近煤層鉆孔自流供水系統(tǒng)，滿足了鄰近煤層正常生產(chǎn)的需要;同時(shí)，當(dāng)井下采空區(qū)水位高于警戒水位時(shí)，無需使用排水泵可直接將采空區(qū)清水自流泄放到地面使用。實(shí)現(xiàn)了供、排水的自流化，系統(tǒng)安全性