哈爾濱新發(fā)煤礦特厚煤層綜放開采水環(huán)境優(yōu)化研究

哈爾濱新發(fā)煤礦特厚煤層綜放開采水環(huán)境優(yōu)化研究

1區(qū)內(nèi)地表、垂直剖面的分布新發(fā)煤礦于1997年10月開始生產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為60萬噸噸。采區(qū)為中生代什子河群地層，開采高度為50.09m。礦區(qū)為翅膀，塊體拉面。全礦共有5個采區(qū),自西向東分別為西四、西三、西二、西一、東一采區(qū)。該礦是典型的水體下采煤,穆棱河與新發(fā)煤礦井巷最短的垂直距離只有150m,其中包括穆棱河第四系沖積層分布范圍廣,垂直厚度為12m,覆蓋整個井田地表。城子河組煤層上覆巖層基本上都是中細粒砂巖沉積,不發(fā)育厚度5m以上的粘土隔水層,因此井下涌水量很大,防治水工作對礦井安全生產(chǎn)有著重要的意義。2礦井涌水量持續(xù)增1997年新發(fā)煤礦投產(chǎn)以后,隨著采掘生產(chǎn)的進行,礦井涌水量持續(xù)增大,特別是自2005年礦井涌水量迅速增大,2007年最大涌水量達到1100m3/h。分析涌水量增大的原因,主要是由于新發(fā)煤礦限定的+50m開采上限偏高,地表的風(fēng)化帶含水層底界面受構(gòu)造、巖性變化等影響下移,礦井的可采煤層的累積厚度不斷增加,局部達到7.0m;隨著采區(qū)面積不斷擴大,井下采煤工作面走向長度小,采煤隊跳面搬家頻繁,采空區(qū)累計總面積不斷增加,頂板巖石下沉加快,造成工作面導(dǎo)水裂縫帶與煤系地層上覆巖層風(fēng)化裂隙含水層溝通,使風(fēng)化裂隙含水層與第四系底部砂礫含水層有密切的水力聯(lián)系,導(dǎo)致礦井涌水量持續(xù)增大。加之采區(qū)地表為穆棱河第四系沖積層,由于采動影響,隨著時間的推移,塌陷已經(jīng)出現(xiàn),周圍發(fā)現(xiàn)有數(shù)條較寬的裂縫,形成導(dǎo)水通道。由于與穆棱河相毗鄰,盆地形成大面積的積水洼地,使新發(fā)煤礦井下的涌水量逐年增大。新發(fā)煤礦于1997年10月16日正式投產(chǎn),采礦許可證規(guī)定可采標(biāo)高為-900~+50m。哈爾濱煤礦設(shè)計院1992年提交的《雞西礦務(wù)局西雞西立井優(yōu)化設(shè)計》上,對新發(fā)煤礦每月平均涌水量預(yù)測為360.0m3/h,對新發(fā)煤礦礦井最大涌水量預(yù)測為400m3/h。而實際上從2005-2008年,新發(fā)煤礦礦井每月涌水量平均為645.2m3/h,汛期每月最大涌水量平均為929.8m3/h,遠遠超出了礦井設(shè)計所預(yù)測的涌水量數(shù)值。井下涌水量持續(xù)增加,給新發(fā)煤礦防排水工作帶來很大壓力。這是一個日益突出的問題,它與煤礦的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展有著很重要的關(guān)系,因此必須采取切實有效的措施進行防治。3生產(chǎn)和開拓準備的區(qū)新發(fā)煤礦一水平(-250m以上)分別有西一采區(qū)、西二采區(qū)、西三采區(qū)、西四采區(qū)和東一采區(qū)。目前正在生產(chǎn)和開拓準備的有西一采區(qū)、東一采區(qū)、西二采區(qū)和西三采區(qū)。對礦井涌水量的預(yù)測,就得分別對各采區(qū)今后的涌水量情況進行計算,以下是各采區(qū)的情況。3.1礦井涌水量預(yù)測目前在西一采區(qū)已經(jīng)開采10a時間,所剩煤炭儲量很少,礦井涌水量已基本達到極限,2010年西一采區(qū)汛期預(yù)計的涌水量預(yù)計為1100m3/h。3.2開采上限分布在西二采區(qū)只對單一煤層36A#進行了開采,回采面積很小,對29#煤層只進行了掘進,開采上限沒有達到海拔+50m標(biāo)高以上。該采區(qū)設(shè)計開采42#、41#、36A#、29#煤層,由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜和地表梁家村的壓煤,考慮實行條帶式采煤,同時也不會超過防水煤柱,預(yù)計礦井最大涌水量不會超過100m3/h。3.3參數(shù)選取及參數(shù)取值東一采區(qū)目前的礦井涌水量不是很大,東一采區(qū)36A#煤層右三巷、右四巷及切割上山送完,已構(gòu)成回采工作面。下巷的頂板發(fā)育多條節(jié)理性質(zhì)的裂隙,有7道裂隙淋水,上山口往下30m處,頂板有一北西走向的構(gòu)造裂隙帶,淋水很大,涌水量為36.9m3/h;預(yù)計工作面開采后隨著開采面積增加,采區(qū)涌水量將會大幅度增加。以下是對東一采區(qū)一水平36A#煤層開采結(jié)束后,產(chǎn)生的礦井涌水量的數(shù)學(xué)預(yù)測。采用承壓向無壓類型,回采工作面為右四~右三、右二~右一、左四~左三、左二~左一四個采面。計算公式為:Q=1.366×Κ2ΗΜ-ΜΜ-hhlnR0lnr0(1)Q=1.366×K2HM?MM?hhlnR0lnr0(1)式中Q——涌水量,m3/h;K——滲透系數(shù),m/D;H——采深,m;M——含水層厚,m;R0——引用影響半徑,m;R0=R+r0R——影響半徑,m;r0——引用半徑,m;h——動水位標(biāo)高,m。以上各種參數(shù)取值依據(jù)如下:滲透系數(shù)K取值,選自雞西礦業(yè)集團地質(zhì)勘探隊1984年7月提交的《城子河西擴區(qū)地質(zhì)補充勘探報告》,即K=0.849m/D;采深H取值,由地表標(biāo)高+190m與東一采區(qū)右二/36A采煤工作面上巷標(biāo)高-30m來定,即H=220m;含水層厚度M取值,選自雞西礦業(yè)集團地質(zhì)勘探隊1984年7月提交的《城子河西擴區(qū)地質(zhì)補充勘探報告》,即M=147.7m;影響半徑R取值,根據(jù)公式計算,即R=2Η√Κ=405.4mR=2HK??√=405.4m;引用半徑r0取值,取自東一采區(qū)36A#煤層工作面的面積S,即r0=√S/π=191.5mr0=S/π???√=191.5m;引用影響半徑R0取值,由公式計算,即R0=R+r0=596.9m。采深h取值,由地表標(biāo)高+190m與含水層厚度、東一采區(qū)右三/36A#采煤工作面標(biāo)高來定,即h=+190-147.7+127.8=170.1m。將上述各數(shù)值代入式(1),計算出Q值,即Q=604m3/h。由以上可知東一采區(qū)開采36A#煤層,預(yù)計由此產(chǎn)生的礦井最大涌水量為604m3/h。3.4控制礦井涌水量西三采區(qū)只開采36A#和24#2個煤層,從2008-2015年將進行規(guī)模開采。如果不超過采礦許可證規(guī)定的+50m開采上限,吸取開采西一采區(qū)的教訓(xùn),礦井涌水量可以進行控制。該采區(qū)地表為穆棱河自滴道區(qū)向東流向城子河轉(zhuǎn)彎處,使西三采區(qū)的局部與河流構(gòu)成空間的鉛垂上下關(guān)系,與東一采區(qū)的情況相似。開采此采區(qū)而產(chǎn)生的礦井涌水量,計算方法與東一采區(qū)同理,具體計算步驟省去,結(jié)果預(yù)計西三采區(qū)開采形成的最大涌水量將達到500m3/h。西四采區(qū)由于位于煤礦最西邊界,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,24#、4#煤層不發(fā)育,其它各煤層幾乎全是表外儲量,煤質(zhì)差,因此暫不能利用,礦井涌水量忽略不計。3.5礦井涌水量預(yù)測全礦井的最大涌水量的預(yù)計,為西一采區(qū)、東一采區(qū)、西二采區(qū)與西三采區(qū)的和,即2304m3/h,所以,新發(fā)煤礦在開采西一采區(qū)之后,開采東一采區(qū)、西二采區(qū)與西三采區(qū)所產(chǎn)生的礦井最大涌水量預(yù)計為2304m3/h。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),新發(fā)煤礦的正常涌水量為最大涌水量的0.69倍,即新發(fā)煤礦正常涌水量預(yù)計為1590m3/h。4副井井段礦井涌水量新發(fā)煤礦目前在-250m水平設(shè)有1個中央集中排水泵房,安設(shè)5臺PJ200B×6型水泵,每臺排水量為420m3/h,揚程為501m。正常時為2臺工作,2臺備用,1臺檢修。在副井井筒鋪設(shè)有Φ325×10排水管路3趟,各為500m。在地面鋪設(shè)有Φ400排水管路2趟各800m,Φ600排水管路1趟800m,Φ500排水管路1趟300m,分別排入穆棱河。在井底設(shè)有甲乙丙丁4個水倉,總?cè)菟繛?380m3。目前,礦井的正常涌水量為650m3/h,最大涌水量預(yù)計為1100m3/h。下面分別在水倉容量和水泵排水2大項對礦井排水能力進行核算。4.1礦井正常涌水量計算根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條:“礦井正常涌水量在1000m3/h以下時,主要水倉的有效容量為礦井8h的正常涌水量”即V=8×Q=5200m3。礦井現(xiàn)水倉的有效容積為6380m3,滿足當(dāng)前要求。4.2正常涌水2q作泵該礦現(xiàn)有PJ200B×6型水泵5臺,每臺排水量420m3/h,其中2臺工作、2臺備用、1臺檢修,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條:工作水泵的能力,應(yīng)能在20h內(nèi)排出礦井24h的正常用水量,即24×Q正常涌水2×Q?作泵=18.6﹤2024×Q正常涌水2×Q?作泵=18.6﹤20滿足要求。工作泵和備用泵的總能力,要在20h內(nèi)排出礦井24h的最大涌水量,即24×Q最大涌水2×Q?作泵+2Q備=15.7﹤2024×Q最大涌水2×Q?作泵+2Q備=15.7﹤20滿足要求。4.3正常涌水量計算該礦現(xiàn)有Φ325×10排水管路3趟,其中2趟工作、1趟備用,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條:工作水管的能力應(yīng)能配合工作水泵在20h內(nèi)排出礦井24h的正常涌水量,即24×Q正常涌水2π(D/2)2×2.5×3600=156001492.5=10.5﹤2024×Q正常涌水2π(D/2)2×2.5×3600=156001492.5=10.5﹤20滿足要求。工作和備用水管的總能力,應(yīng)能配合工作和備用水泵在20h內(nèi)排出礦井24h的最大涌水量,即24×Q最大3π(D/2)2×2.5×3600=11.8﹤2024×Q最大3π(D/2)2×2.5×3600=11.8﹤20滿足要求。5水平開采后期全礦井涌水量分析根據(jù)前述礦井一水平開采后期涌水量預(yù)測分析,一水平開采后期全礦井正常涌水量可達到1590m3/h,礦井最大涌水量可達到2300m3/h。5.1礦井涌水量計算根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條規(guī)定,正常涌水量>1000m3/h的礦井,主要水倉有效容量按下式計算:V=2(Q+3000)式中V——主要水倉的有效容量,m3Q——礦井每小時正常涌水量,m3。因此礦井一水平開采后期,主要水倉有效容積應(yīng)達到:V=2(Q+3000)=9180m3現(xiàn)有水倉容積6380m3滿足不了要求,需增加△V=9180-6380=2800m3。5.2工作水泵和備用泵根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條規(guī)定,工作水泵排水能力應(yīng)為Q?作=24×Q正常涌水20=1908m3/hQ?作=24×Q正常涌水20=1908m3/h工作水泵臺數(shù)應(yīng)為T工作=1908/420=4.5(臺)工作泵和備用泵排水能力應(yīng)為:Q?作+Q備用=24×Q最大20=2760m3/hQ?作+Q備用=24×Q最大20=2760m3/h工作和備用泵總臺數(shù)應(yīng)為T總=6.5臺。顯然現(xiàn)有水泵能力已滿足不了一水平開采后期礦井涌水量要求。經(jīng)選型,需新增3臺PJ200B×6型水泵,該水泵揚程500m,排水量420m3/h,工作水泵確定為5臺PJ200B×6型水泵,小時排水總能力為5×420=2100m3/h>1908m3/h滿足要求。備用水泵確定為2臺PJ200B×6型水泵,檢修泵1臺。工作和備用泵小時總排水能力為7×420=2940m3/h>2760m3/h,滿足要求。5.3正常涌水2d/22.2.2工作管路能力算例根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條規(guī)定,一水平開采后期,根據(jù)礦井預(yù)測的涌水量情況,對現(xiàn)有排水管路能力進行核算:工作管路能力核算:(按現(xiàn)有2趟工作管路計算)24×Q正常涌水2π(D/2)2×2.5×3600=25.6h＞20h不能滿足要求。按3趟工作管路計算:24×Q正常涌水3π(D/2)2×2.5×3600=17.0h＜20h滿足要求。工作和備用管路能力核算:24×Q最大4π(D/2)2×2.5×3600=18.5h﹤20h滿足要求。6井下排水能力綜合改造從以上分析計算可以看出,該礦現(xiàn)有主排水系統(tǒng)已滿足不了礦井將來安全生產(chǎn)的需要,需要以現(xiàn)有排水系統(tǒng)進行增能力改造,因此,新發(fā)煤礦在2008年度和2009年初先后從以下幾方面對井下排水能力進行了綜合改造。(1)排水泵房改造經(jīng)過計劃批復(fù),對中央泵房進行擴建,在新發(fā)煤礦-250m水平的中央集中排水泵房,由原來安設(shè)5臺PJ200B×6型水泵增加到8臺,每臺排水量為420m3/h,揚程為501m,目前正常時2臺工作,2臺備用,1臺檢修。一水平開采后期將有5臺同型號的水泵工作,2臺備用,1臺檢修。(2)運輸及設(shè)備概況在副井井筒新鋪設(shè)Φ325×10排水管路1趟,由原來2趟排水管路增加到3趟,各500m。在地面鋪設(shè)有Φ400、長800m2趟排水管路的基礎(chǔ)上,增設(shè)Φ600排水管路1趟,長800m;增設(shè)Φ500排水管路1趟,300m。使一水平開采后期礦井水經(jīng)排水管路排入到穆棱河。(3)礦井水倉蓄存能力增加在井底原設(shè)計有甲、乙、丙、丁4個水倉,總?cè)菟?380m3。2009年初,新發(fā)煤礦布置掘進隊在中央乙水倉一側(cè),又打了1個戊水倉,增大了水倉的容量3518m3,使井底中央水倉增加蓄存礦井水能力,總?cè)菟吭黾拥?898m3。(4)b東主運道水壓由于水量的增加,新發(fā)煤礦井底一水平(-250m)東主運道水溝水位急劇上漲,有時水流溢出水溝,使主運道部分地段形成積水,給運輸帶來嚴重影響。對此,已經(jīng)采取在巷道另一側(cè)打1副水溝分流的辦法來解決。(5)水患優(yōu)化工程及時清理中央水倉、東西主運道和總石門的排水溝,挖出煤粉、淤泥,融通渠道,增加容量,延緩水泵排水時間,為解決水患創(chuàng)造條件。在采區(qū)集中排水地段和采煤工作面下巷,設(shè)計施工了臨時沉淀池,派專人對沉淀池內(nèi)煤粉進行及時清理,