走向回采工作面排水系统改造及综合利用.pdf

2 0 1 4年第 1 2 期 中州煤炭 总第 2 2 8 期 走 向回采工作 面排水 系统 改造及 综合 利用 金 明方 ， 王伊 飞 ， 张钰煜。 ( 1 河南理工大学 资源环境学院 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 ； 2 河南能源化工集团 义煤公 司安全健 康环保部 综合 处 ， 河 南 义 马4 7 2 3 0 0；3 河 南 能 源化 工 集 团 义 煤公 司 义安 矿 ， 河 南 新 安4 7 1 8 0 0) 摘要 ： 走 向长壁 回采工作面通常 回风巷标高高于运输巷 ， 采空 区积水 会全部涌入运 输巷 ， 并通过运 输巷排 出 工作面 ， 因此主排水阵地 也通常设在运输巷。但 当运 输巷 遇到背斜 ， 造成巷道标高抬高 ， 直 至高于回风巷 时， 会使采 空区积水 大量进入工作 面并 涌入 回风巷 ， 给工作面 的生产带来严重影响 ， 并对 回风巷 的排水工作造成 极大 困扰。分析 了在这种情况下排水 系统设计存在 的问题 ， 提 出了改进 办法。改进后 ， 成功解决老空水排水 问题 。 关键词 ： 排水系统改造； 自流 ； 回采 工作 面 中图分类号 ： T D 8 2 2 2 文献标志码 ： A 文章 编号： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 4) 1 2 0 0 1 4 0 3 Re c O n s t r u c t i O n a nd Co m p r e h e ns i v e Ut i l i z a t i o n o f Dr a i n a g e S y s t e m o n St r i ke M i n i n g W o r k i ng Fa c e J i n Mi n g f a n g ， Wa n g Yi f e i ， Zh a n g Yu y u ( 1 C o l l e g e o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t ， H e n a n Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， C h i n a； 2 Co mp r e h e n s i v e De p a r t ， J i a o z u o C o a l C o m p a n y， He n a n E n e r g y C h e mi c a l I n d u s t r y G r o u p C o ， Hma 4 7 2 3 0 0， C h i n a； 3 Y i a n C o a f Mi n e ， J i a o z u o Co a f Co m p a n y， He n a n En e r g y C h e mi c a f I n d u s t r y G r o u p C o ， X i n a n 4 7 1 8 0 0， C h i n a ) Abs t r ac t ： I n t he s t r i k e l o n g wa l l mi n i ng wo r k i n g f a c e， t he e l e v a t i o n o f t h e t o p l a n e wa y i s u s ua l l y hi g h e r t h a n t ha t o f t he b o t t o m， g o a f wa t e r wi l l s wa r m i n t o t h e bo t t o m ， a n d wi l l b e di s c ha r g e d t he r e， S O t h e ma i n dr ai n a g e b a t t l e fie l d i s u s u a l l y l o c a t e d a t t he b o t t o m l a ne wa y But i f t h e bo t t o m l a n e wa y ba r g e u p a g a i ns t t he a n t i c l i n e， i t wi l l ma k e t he e l e v a t i o n o f bo t t o m l a n e wa y h i g he r， un t i l e x c e e d t h a t o f t o p l a n e wa y， l a r g e a r e a g o a f wa t e r wi l l r u n i n t o t he wo r k i n g f a c e a nd f l o w i n t o t h e t o p l a ne wa y Thi s c a n b r i n g s e r i o us i n flu e n c e t o t h e pr o d uc t i o n， a n d c a us e a g r e a t di s t u r b an c e t o wa t e r di s c ha r g i n g i n t h e t o p l a ne wa y I t de s c r i b e d ho w t o r e c o n s t r uc t t h e d r a i na ge s y s t e m un d e r t h i s c o n d i t i o n s A f t e r b e i n g i mp r o v e d， t h e p r o b l e ms o f g o a f wa t e r d r a i n a g e w e r e r e s o l v e d Ke y wo r d s：r e c o n s t r uc t i o n o f wa t e r d r a i na g e s y s t e m ； a r t e s i a n flo w； wo r k i ng f a c e 义 安 矿 业 位 于 新 安 县 以 北 约 1 5 k m 处 ， 面 积 2 8 7 k m ， 主采二 煤层 ， 设计生产能力 1 2 0万 t a ， 于 2 0 0 9年 6月投 产 。该矿位 于 新安煤 田中部 ， 根 据 洛 阳义 安矿业 有 限公 司正 村煤 矿 矿 井水 文 地 质 类 型划 分报 告， 其水 文 地质 类 型 是 以底 板 进水 为 主 、 水文 地质 条件 中等 的岩 溶充水 矿床 。但 是该 矿被 新 安煤 田其他 3个矿井所包围， 其中新安煤矿水文地 质 条件 极复 杂 ， 孟 津煤 矿地 质条 件复 杂 ， 新 义煤矿 地 质条 件 中等 ， 且 均受 到底 板 奥 灰 水 威 胁 ( 新 安 矿 和 孟 津矿 均发生 过 奥灰 水 突 水事 故 ) ， 因此 ， 矿 井 防 治 水工作变得尤为重要 ， 对工作面的排水系统要求就 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 0 8 作者简介 ：金 明方 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 河南伊川人 ， 工程师 ， 2 0 0 8年毕业 于河南理工大学 ， 在读工程硕 士， 现从事地质测量工作。 l 4 更 高 。 1 工作面概况及地质构造 ( I ) 工作 面概况 。二 1 1 0 6 0工 作 面 为该 矿 首 个 走 向 长 壁 回 采 工 作 面 ， 位 于 1 1采 区 西 部 ， 倾 向 1 3 5 。 ， 回采方 向为 4 5 。 。其 四邻 无 采 掘 工 程 ， 地 面 无 村庄和水体 ( 图 1 ) ， 地面标高 + 3 6 5 8+ 3 8 5 2 IT ， 工 作 面标高 为 一 2 4 8一 2 1 4 m。该工 作 面走 向长为 1 1 3 3 m， 倾 向长 1 3 6 m， 煤 厚 0 4 2l 4 2 0 m， 平 均 厚 5 0 9 m， 密 度 1 4 3 t m ， 工 业 储量 1 1 2 1 5 6万 t ， 可 采储 量 1 0 6 5 4 8万 t 。 ( 2 ) 地质构 造。该工作 面地质构造相对简 单 ， 在 掘进 过程 中实 际揭露 断层 3 0条 ， 其 中底板 断层 有 8条 ， 落差在 0 44 6 m 之 间 ， 倾 向 S W、 N W， 角 度 2 0 1 4年第 1 2期 金明方 ， 等： 走 向回采工作面排水 系统改造及综合利用 总第 2 2 8期 4 0 。 8 7 。 ， 预计对 回采有一定影 响。在掘进 中煤层 厚 度变 化大 ， 局部 顶 、 底 板 起 伏 较 大 ， 预 计 工 作 面 内 有隐伏地质构造 ， 具体位置有待进一步揭露 。该工 作 面沿 走 向 回采 ， 煤 层底板 起伏 不定 ， 形 成 了若干 低 洼处 ， 给排水工作带来了许 多不便。 一 面 风 _ 二- 1 1 0 6 0 工作面 。一一一 丁 拓 f 一一 r _ _ 图 1 二 。 1 1 L0 6 0工 作 面 平 面 示 意 2水 文地质条件分析 2 1 物 探及 钻探 情况 ( 1 ) 物探 情 况 。该 工 作 面 形 成 系 统 前 ， 采 用 了 直 流 电法 和瞬变 电磁 2种物 探手 段对 其底 板 富水 性 进 行探 测 ， 探测 结果 基本 一致 ， 该工 作 面没有 低 阻值 异 常 区， 且 未呈 现 出局 部 电性 异 常 体 的变 化 特 征 ， 因此无明显构造发育 ， 底板 隔水层 良好 ， 没有 突水水 源 及导水 通 道 。 ( 2 ) 底 板孔 探查 期 三 维地 震 控 制 工作 面 内 外 共计 l 0条断 层 ， 其 中有 6条 在 工 作 面 内 ， 对 其 进 行了底板超前 探放水工作 ， 共施工 7个钻孑 L ， 钻进 4 3 8 8 m。其 中， 轨道侧 2 5钻场 探 s F 断层 ， 孔深 6 0 5 i n ， 单 孔 涌水 量 3 m h 。 经水 质化 验 ， 根 据 库 尔洛 夫表 示 式 ， 该 源 为 HC O 一 N a型 ， 符 合 底 板 砂岩 水水 质特 征 ， 其 余 钻孔均 未见 水情 。 ( 3 ) 顶板孔探查 在掘进期 间 ， 该工作 面局部 出现 淋水 ， 尤 其 是运 输 巷 开 口 向里 1 0 5 01 1 7 0 m 处有 大量 淋 水 ， 最 大 淋 水 量 为 2 m h 。在 2 0 m 范 围 内每 4 m 垂 直顶板 施工 1 个 泄 水孔 ， 孔 深 为 5 m， 经过 疏 放 ， 现 在 已 经 无 水 。该 钻 孑 L 施 工 在 巷 道 的 3 1 5 。 方 向侧 ， 施 工 完 毕 后 ， 其 下 部 ( 即 1 3 5 。 方 向 ) 淋 水 明 显 减 小 ， 说 明 此 处 顶 板 砂 岩 水 径 流 方 向 为 1 3 5 。 。在 切 眼运输 巷 向里 2 5， 4 8 ， 5 3 m 处 淋 水 位 置 共设计 5个顶板 砂 岩 泄 水 钻 孔 ， 目标 层位 为顶 板 大 占砂 岩和 香炭 砂 岩 ， 淋 水量 约 0 0 3 5 m h 。在 工作 面 回采 2 0 0 m 后 ， 切 眼 内淋水 严重 ， 因此在 运输 巷对 切 眼淋水 位 置进行 了超 前 探 ， 目标 层 位 顶板 大 占砂 岩和香 炭 砂岩 ， 共设 计 3个钻 孔 ， 未见 水情 。根 据 以 上情况分析 ， 该工作面顶板砂岩水富水不均一 ， 有明 显 的径流 带且 具有 方 向性 。 2 2充 水 因素分 析 该工作面 四邻无 采空 区， 不 存在老 空水威胁 。 其 主要 充 水 水 源 为 顶 、 底 板 砂 岩 水 和 底 板 灰 岩 水 。 在 掘进 期 间多处 出现 顶板 淋水 现象 ， 因此 ， 在 工作 面 开始回采后顶板砂岩水会大量参与到老空水 中。根 据 S F 断层 探查 及 二。 1 2 0 5 0工 作 面 回采 过程 中底 板 砂 岩 曾发 生较 大涌 水 情 况 ， 预 计 底 板砂 岩 水 会 对 该 工作 面 回采产 生一 定影 响 。奥陶 系灰 岩为该 地 区的 强含 水层 ， 属 底 板 间 接 充 水 含 水 层 ， 该 含 水 层 距 二 煤层 5 8 9 I n ， 正常情况下不会对工作面产生影 响 。但如 果煤 层底 板 有 穿 透 奥 灰 层 的 断裂 存 在 ， 同 时又 处在 奥灰 水径 流 带 时 ， 有 可 能 造 成煤 层 底 板 突 水 ， 从而 导致 涌水 量呈 逐渐 变大 趋势 甚至 突水 。 2 3 工作 面 涌水 量情 况 二 1 1 0 6 0工作 面 回 采 3 2 m 后 ， 工 作 面 运 输 巷 采 空 区发 现 出 水 ， 水 温 2 4 。 ， 颜 色 为乳 白色 ， 水 量 为 1 5 IT I h ， 经过水 质 化验 系顶 板 砂 岩 水 。 随后 随着 开 采范 围 的扩大 ， 该工 作 面涌水 量不 断攀 升 ， 逐 渐增 大 到 5 6 i n h ， 涌 水量 增加 速 度 明 显扩 大 ， 随 后 稳定 在 4 0 m h 。该采 空 区水 系 顶板 大 面 积垮 落 导 通 顶 板 砂岩 含水 层后 形 成 的 ， 并 携 带 了 大量 岩 石 垮 落 时 产 生 的岩 粉 。 3 排水 系统设计 该 工 作 面 为走 向长 壁 回采 工 作 面 ， 运输 巷 标 高 低于 回风 巷 ， 煤 层底 板沿 走 向起伏 不定 ， 工作 面 中形 成 了若 干低 洼处 ， 因此 ， 在 排水 系统 设计 时必 须要 考 虑到这些低洼处。根据工作面的实际情况 ， 该矿编 制 了防治 水方 案和 防 治 水措 施 ， 将 主排 水 阵地 设 在 工作面运输巷 ( 由于 回风巷标高较高 ， 因此采空 区 水将 全部 流 向运输 巷 ， 回风 巷仅 做 日常排 水 ) ， 设 置 了 2台排 水 能力 为 2 0 0 m h的 电潜 水泵 和 2台 3 7 k w 的 电泵紧 跟工 作 面 切 眼作 为 主 排水 设 备 。采 用 双 回路供 电 ， 在 工作 面运 输巷 铺设 一趟 ( 2 j 1 0 0 mm和 一 趟 2 0 0 m i l l 的排水 管路 ， 在 低 洼 处挖 设 泵 坑 ， 利 用 电泵和 逆止 阀进 行排 水 。该排 水方 案完 全满 足 了 工作 面 的排水 需要 ， 在 工作 面 回采 初 期 发挥 了重 要 作 用 。 4排水 系统存在 问题 该 工 作面 回采 至 切 眼 向外 3 8 0 m处 时 ， 运 输 巷 遇一背斜 ( 图2 ) 。巷道由背斜的一翼进入背斜顶部 后 ， 运输巷高程因此而抬升了 7 IT I ， 造成该巷道在其 l 5 2 0 1 4年第 l 2 期 中州煤 炭 总第2 2 8 期 后 6 5 m范 围内 ， 回风 巷运 输 巷 高 程 翻 转 ， 运 输 巷标 高高 于 回风巷 。在 这 6 5 m 回采结束 后 ， 同样 的过程 反过来又进行一次 ， 运输巷标高再次低于回风巷。 图 2背斜三维立体 示意 高， m IlIr 由图 3煤层底板等高线可知 ， 在该工作面 回采 至 A之前 ， 运输巷底板标 高低于 回风巷， A B段运输 巷标 高 高于 回风巷 ， 点 向外 则运 输巷 低 于 回风 巷 。 因此 ， 工 作 面 运 输 巷 回采 至 I- 段 时 ( 图 4 ) ， 老 空 水不 能 自流 出工作 面 ， 采 空 区会产 生积水 ， 直至水 位 抬高到 点， 形成积水面 ； 在回采至 段时 ， 由于 两巷 标 高相 同或运 输 巷 高 于 回风 巷 ， 则 采 空 区积 水 会大 量 涌 人 工 作 面 并 通 过 运 输 巷 流 出。这 时 ， 4 0 m h左右 的涌水 量进 人工 作 面 ， 将严 重 影 响工 作 面 的生产 ， 出现拉水煤的现象 ， 且 由于工作面回风巷并 非主排水阵地 ， 其不能满足正常的排水需要 ， 因此排 水系统的安全性也会大打折扣。同样 ， 当回采至 点 以后 ， 工 作 面 回风 巷标 高高 于运输 巷 ， 则 以上情 况 将反 向重 复 ， 对 工作 面 的生产 产生 重大影 响 。 图 3 二， 1 1 0 6 0两巷标 高翻 转段 煤层底板等高线 1 6 -2 2 0 一 2 25 幢 一 2 3 0 - _ 2 2 3 40 5 图 4二。 1 1 0 6 0工作面两巷标高翻转段运输巷平剖 面对 比 S排水系统改进 根据以上情况， 在工作面两巷标高翻转期问， 坚 决 不 能让老 空水 涌 人工 作 面 ， 对 工 作 面 安 全生 产 产 生 影 响 。为 了达 到这 一 目的 ， 经 研 究 决 定 对 翻转 段 进 行排 水系 统改造 ， 施 工 防治水 工程 。 防治水 工程 如图 5所示 ， 在 处开 始 ， 从 巷道 底 板 向下 挖 掘 深 为 l r n的水 沟 ， 此 水 沟按 约 2 的坡 度 向前施 工 ( 中 间最深 处 需 破 底 约 2 m) ， 直 至 处 结束 。然 后在 处施 工 一堵密 闭 ， 将 ( 2 j 2 0 0 mm 的排 水 管路埋 设 进去 ， 水 沟 全部覆 盖盖 板 。如此 ， 在 处 人为地将巷道底板压低 ， 使其低于回风巷标高， 则 回 采 到此处 时 ， 老空水 会从 这里 直接 流 出 ； 工作 面继 续 向前 回采 ， 则 对水 沟 进 行保 护 ， 上覆 荆 笆 盖 板 ， 并 压 人 煤袋 ， 使 回采过程 中不 受破 坏 ， 则采 空 区水 会 源源 不断地从这里流出， 而不会进入_T作面或回风巷。 - 2 2 0 g 2 2 5 雇一 2 3 0 蝮 一 2 3 5 2 4 0 巷道顶板 密闭 图 5排 水系统 改造 施工示意 因为工 作 面从 此 处 向外 直至 车 场 联巷 、 运 输 巷 的标高都远低于 处 ， 因此排水系统改造完成后 ， 老 空水可以 自流出工作面而不用再使 用潜水泵排水 ， 不 但减少 了开泵人 员 ， 减少 了设 备 的 损 耗 和 能源 消 耗 ， 还改善了工作面 的生产环境。该排水系统改造 完 成后 ， 通过 一段 时 间 的 排水 ， 水 质 变清 ， 完 全 可 以 作 为生 产用 水 。因此 ， 在 运输 巷 口联 巷 处 挖设 一 个 水仓 ， 建 立恒 压 泵 站 ， 将 上 述 排 水 管 直 接 引 入 水 仓 中， 通过恒压泵站 ， 直接供给整个东区的生产用水。 6 实施效 果 ( 1 ) 现场效 果 。在对 工作 面 的( 下转 第 l 9页 ) 2 0 1 4年 第 1 2期 刘 晓珂 ， 等 ： 大 采高 短壁 工作 面超 前支 承压 力分 布规 律研 究 总第 2 2 8期 MP a ， 应 力集 中 系数 为 2 4 2 ， 距 离 工 作 面 煤 壁 1 2 5 1 11 左右； 工作面推进度为 6 0 I n时， 支承压力峰值前 移 至距离 煤 壁 9 4 11 1左 右 ， 应 力 集 中 系 数 上 升 为 2 5 5 ， 1 3 0 5大采 高短 壁 工 作 面支 承压 力 峰 值 随工 作 面 不断 推进 有前移 现象 。 3 0 善 2 0 凄 1 0 辋 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 工作面推进距离 m 图 5 超前 支承压 力分布曲线 4 结 论 ( 1 ) 工作 面前 方煤体 由 近及 远 可划 分 为 3个 区 域 ： 塑性 变形 区 、 弹性变 形 区和原 岩应 力 区 。工 作面 前方塑性区域范围为 6 71 2 5 1 1 1 ， 平均 8 9 I n 。工 作 面超 前支 承压 力影 响范 围为 0 5 0 13 1 。超 前 支 承 压 力 峰值介 于 2 4 1 6 2 8 4 8 MP a ， 平 均 2 6 4 4 MP a 。 ( 2 ) 数值模 拟 得 出首 采 工作 面 超前 支 承 压 力峰 值在 2 8 MP a左右 ， 实测超前支承 压力峰值均值 为 2 6 4 4 MP a ， 两者 相差 不大 。确定 超前 支 承压力 影 响 表 2工 作 面 超 前 支 承 压 力 特 征 范 围为 3 5 m。 ( 3 ) 随着 工作 面 的推 进 ， 支 承压 力 峰 值前 移 ， 应 力集中系数上升 ， 1 3 0 5大采高短壁工作面支承压力 峰 值 随工作 面不 断推 进有 前移 现象 。 参 考 文献 ： 1 毕业武 ， 侯风才 ， 张国华 ， 等 采场超 前支承压力分 布规律与巷 道稳定性f J 黑龙 江科技学院学报 。 2 0 1 2 。 2 2 ( 2) ： 1 3 5 1 3 9 景春选 ， 潘卫东 大采高工作 面的支承压力分布 与观测技术研 究 J 山西 焦煤科技 ， 2 0 0 9( 5 ) ： 4 - 6 王立兵 ， 李敬民 ， 李建 军 大采 高综 采超 前支承 压力观 测及应 用 J 华北科 技学 院学报 ， 2 0 0 4， 1 ( 3 ) ： 2 4 - 2 7 鲁岩 ， 樊胜强 ， 邹喜正 工作面超前 支承压 力分布规 律 J 辽 宁工程技术大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 8 4 - 1 8 7 陈轶平 综采工作 面超 前支护 支承压力 观测与分 析 J 山西 大同大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 3 ) ： 6 3 - 6 5 朱守颂 ， 姜光 工作面超前支承压力分布规 律研究 J 煤炭 工 程 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 9 6 - 9 8 ( 责任 编辑 ： 秦 爱新 ) ( 上接 第 1 6页 _) 排 水 系 统 改 造 结 束 后 ， 前 期 回采 产 生 的老 空水 约 4 0 m h全 部通 过管 道直 排至 联 巷 口水仓中。因为工作面顶板富水不均 ， 在此后 的很 长一段 时 间工作 面没 有 老空水 出现 。恒 压泵 站 的建 立 ， 不 但有 效和 用老 空水 供给 东 区生产用 水 ， 同 时也 减轻 了井底 泵 房 的排水压 力 ， 变废 为宝 ， 为矿 井节 省 了大量的人力物力 ， 提高了效率。 ( 2 ) 经济效益。此次排水系统改造节省 泵工 1 名 ， 一 天 三 班 ， 到 目前 共 节 省 1 1 8 8人 次 ， 节 省 费 用 1 7 8 2万元 ； 该 工 作 面 涌 水 量 4 0 IT I h ， 省 1台 3 0 k w 潜水 泵进 行 排 水 ， 节 省 电 费 2 0 5 3万 元 ； 在 1 0 0 m走向长度 内确保工作面不出水煤 ， 按 照水煤降低 发热量吨煤减： 收入 5元 ， 储量 1 0万 t 计算 ， 减少 损失 5 0万元 ； 节 省排水设备检 修维护 和损耗 费用 l 0万 元 。 因此 该排 水 系统改 造工 程共 计 节省 9 8 3 5 万元 ， 还给工作面带来了不可估量的安全效益。 7 结 语 走 向回采工作面可以根据工作面具体地质条件 采取不同的排水方案或复合排水方案， 尽量减少排 水难 度 ， 提 高 排 水 系 统 的稳 定 性 ， 不 但 能 够 节 支 降 耗 ， 提 高效益 ， 还 能有效 提 高工作 面的安全 水 平 。 参 考 文献 ： 1 胡文 奇， 力 宏艳 瞬变 电磁法在工作 面水 文地质勘察 中的应用 分析 J 中州煤炭 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 4 6 -4 8 2 葛亮 涛， 叶贵钧 ， 高洪列 中国煤 田水文地 质学 M 北 京 ： 煤 炭工业出版社 ， 2 0 0 1 3 崔笃 封， 郭振桥 不稳定煤层底板承 压水综合探查与 防治技术 J 中州煤炭 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 4 6 -48 4 柯妍 ， 曾勇 新 安矿二 煤底板 突水 性评价 及防治建议 J 煤 炭技术 ， 2 0 0 7， 2 ( 1 I ) ： 6 2 4 5 5 ( 责任 编辑 ： 梁郁 鑫 ) 1 9 j _寸_