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)內地表、垂直剖面的分布新發(fā)煤礦于1997年10月開始生產，設計生產能力為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)煤礦投產以后,隨著采掘生產的進行,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,地表的風化帶含水層底界面受構造、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,造成工作面導水裂縫帶與煤系地層上覆巖層風化裂隙含水層溝通,使風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,塌陷已經出現(xiàn),周圍發(fā)現(xiàn)有數條較寬的裂縫,形成導水通道。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,采礦許可證規(guī)定可采標高為-900~+50m。哈爾濱煤礦設計院1992年提交的《雞西礦務局西雞西立井優(yōu)化設計》上,對新發(fā)煤礦每月平均涌水量預測為360.0m3/h,對新發(fā)煤礦礦井最大涌水量預測為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,遠遠超出了礦井設計所預測的涌水量數值。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和可持續(xù)發(fā)展有著很重要的關系,因此必須采取切實有效的措施進行防治。3生產和開拓準備的區(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礦井涌水量預測目前在西一采區(qū)已經開采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)汛期預計的涌水量預計為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標高以上。該采區(qū)設計開采42#、41#、36A#、29#煤層,由于地質構造復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,預計礦井最大涌水量不會超過100m3/h。3.3參數選取及參數取值東一采區(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,已構成回采工作面。下巷的頂板發(fā)育多條節(jié)理性質的裂隙,有7道裂隙淋水,上山口往下30m處,頂板有一北西走向的構造裂隙帶,淋水很大,涌水量為36.9m3/h;預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#煤層開采結束后,產生的礦井涌水量的數學預測。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,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——動水位標高,m。以上各種參數取值依據如下:滲透系數K取值,選自雞西礦業(yè)集團地質勘探隊1984年7月提交的《城子河西擴區(qū)地質補充勘探報告》,即K=0.849m/D;采深H取值,由地表標高+190m與東一采區(qū)右二/36A采煤工作面上巷標高-30m來定,即H=220m;含水層厚度M取值,選自雞西礦業(yè)集團地質勘探隊1984年7月提交的《城子河西擴區(qū)地質補充勘探報告》,即M=147.7m;影響半徑R取值,根據公式計算,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,由地表標高+190m與含水層厚度、東一采區(qū)右三/36A#采煤工作面標高來定,即h=+190-147.7+127.8=170.1m。將上述各數值代入式(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,預計由此產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,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)向東流向城子河轉彎處,使西三采區(qū)的局部與河流構成空間的鉛垂上下關系,與東一采區(qū)的情況相似。開采此采區(qū)而產生的礦井涌水量,計算方法與東一采區(qū)同理,具體計算步驟省去,結果預計西三采區(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,地質構造復雜,24#、4#煤層不發(fā)育,其它各煤層幾乎全是表外儲量,煤質差,因此暫不能利用,礦井涌水量忽略不計。3.5礦井涌水量預測全礦井的最大涌水量的預計,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)所產生的礦井最大涌水量預計為2304m3/h。根據統(tǒng)計數據,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水平設有1個中央集中排水泵房,安設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。在副井井筒鋪設有Φ325×10排水管路3趟,各為500m。在地面鋪設有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。在井底設有甲乙丙丁4個水倉,總容水量為6380m3。目前,礦井的正常涌水量為650m3/h,最大涌水量預計為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《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《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條:工作水泵的能力,應能在20h內排出礦井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《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條:工作水管的能力應能配合工作水泵在20h內排出礦井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,應能配合工作和備用水泵在20h內排出礦井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前述礦井一水平開采后期涌水量預測分析,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《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《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工作水泵臺數應為T工作=1908/420=4.5(臺)工作泵和備用泵排水能力應為: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應為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《煤礦安全規(guī)程》第二百八十條規(guī)定,一水平開采后期,根據礦井預測的涌水量情況,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)排水泵房改造經過計劃批復,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)運輸及設備概況在副井井筒新鋪設Φ325×10排水管路1趟,由原來2趟排水管路增加到3趟,各500m。在地面鋪設有Φ400、長800m2趟排水管路的基礎上,增設Φ600排水管路1趟,長800m;增設Φ500排水管路1趟,300m。使一水平開采后期礦井水經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計有甲、乙、丙、丁4個水倉,總容水量6380m3。2009年初,新發(fā)煤礦布置掘進隊在中央乙水倉一側,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,總容水量增加到9898m3。(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,已經采取在巷道另一側打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,設計施工了臨時沉淀池,派專人對沉淀池內煤粉進行及時清理,