王曉峰：科技利劍擒“水魔”梧桐莊礦綜合防治底板突水綜述

　
　　核心提示：梧桐莊礦水文地質(zhì)條件極為特殊復(fù)雜，正常涌水量最大時(shí)達(dá)到每分鐘17.5立方米，是峰峰集團(tuán)受水害影響最嚴(yán)重的礦井，成為制約礦井安全發(fā)展的最關(guān)鍵因素。為此，該礦把防治水工作做為科技創(chuàng)新的“龍頭”工程，經(jīng)過多年艱難實(shí)踐，正常涌水量降到了每分鐘5立方米，走出了一條治水、保水的新路子。

　　水，在人們的心目中通常是美好的，常常用溫順、寧靜來贊美它。但在梧桐莊礦，卻是另一番景象，它搖身厲變成一只時(shí)刻威脅礦井安全生產(chǎn)的“水魔”隱伏四周。1995年12月3日，礦井建井期間施工主、副井貫通聯(lián)絡(luò)巷揭露一條落差7米的斷層時(shí)發(fā)生突水，導(dǎo)致副井筒被淹，影響巨大，教訓(xùn)慘痛。為消滅它，梧桐莊礦人堅(jiān)持化科技創(chuàng)新為“利劍”，通過多年治理，不僅降住了水患，還在全國第一家叫響了“保水開采”的理念并積極實(shí)踐，探索出了一條從綜合防治水到實(shí)施綠色保水開采的新路子。
　　運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，探明“水魔”來路
　　梧桐莊礦是一個(gè)大水礦井，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在井下最直觀的顯現(xiàn)就是水壓高、水溫高、突水量大，投產(chǎn)時(shí)最大涌水量達(dá)到每分鐘17.5立方米，一度讓梧桐莊礦人“談水色變”。
為什么有這么大的水？水的來路是什么？發(fā)生突水的形式有那些？
　　許多地疑問擺在了梧桐莊礦生產(chǎn)建設(shè)者們面前。兵家語，知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆。弄清楚這些問題，成為該礦治理水患最重要的第一步。 為此，該礦堅(jiān)持多種高科技手段并施，打響水患探查工程戰(zhàn)役。 采用采區(qū)三維地震和地面電法勘探方法。查清了采區(qū)內(nèi)構(gòu)造及其導(dǎo)水性，探明區(qū)內(nèi)落差5m以上的斷層產(chǎn)狀要素，控制斷層落差、產(chǎn)狀及其在走向和傾向上的變化；查明區(qū)內(nèi)的陷落柱發(fā)育范圍；查明煤層底板的起伏形態(tài)及褶曲構(gòu)造的發(fā)育形態(tài)，查明奧灰頂面起伏形態(tài)及埋深。其此是利用可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法等先進(jìn)的物探手段，進(jìn)行采區(qū)綜合水文勘探工作，查明斷層、陷落柱的含導(dǎo)水區(qū)段和導(dǎo)水性，圈定斷層的導(dǎo)水位置及層位和陷落柱的導(dǎo)水位置及導(dǎo)水、充水范圍；查明區(qū)內(nèi)大煤以下各主要含水層至大煤的導(dǎo)水裂隙、通道的發(fā)育范圍。
　　建立完善的水文觀測網(wǎng)。掌握含水層水位的動(dòng)態(tài)變化，通過水文地質(zhì)試驗(yàn)確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)計(jì)礦井涌水量，還可在礦井實(shí)施疏放水工程或放水試驗(yàn)后通過水文觀測網(wǎng)暴露礦井水文地質(zhì)條件，分析查找井田內(nèi)的導(dǎo)水陷落柱，建立礦井水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫，完善各種水文地質(zhì)信息及時(shí)分析和處理能力，確保異常情況下能作出準(zhǔn)確的決策。 實(shí)施了掘進(jìn)工作面超前探測。采用井下瞬變電磁法、高密度電法等先進(jìn)的物探手段進(jìn)行超前探測，探測巷道周圍及前方是否存在含導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱及含?dǎo)水裂隙異常體，初步探明這些異常的發(fā)育位置和范圍。對探到的異常區(qū)再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，從而查明掘進(jìn)前方及巷道周圍水文地質(zhì)條件，制定相應(yīng)的防突水措施。
　　通過實(shí)施上述技術(shù)手段，該礦科技工作者基本確定了對礦井危害最大的水文地質(zhì)因素。一是底板含水層水。由于開采深度大，煤層底板野青灰?guī)r、山伏青灰?guī)r等含水層水壓高，煤層開采時(shí)，礦山壓力作用使得煤層底板破壞深度加大，當(dāng)煤層底板的有效隔水層厚度不能抵擋含水層水頭壓力時(shí)，便會(huì)發(fā)生突水。二是底板導(dǎo)水構(gòu)造裂隙水。在煤層底板存在有導(dǎo)水構(gòu)造裂隙時(shí)，在高壓水頭和礦山壓力聯(lián)合作用下，將使得煤層底板破壞深度較大和導(dǎo)升高度遞進(jìn)發(fā)展，導(dǎo)升高度和破壞帶接通時(shí)，便發(fā)生突水。三是導(dǎo)水?dāng)鄬铀?。井田?nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層在自然狀態(tài)下，斷層帶一般不導(dǎo)水，不充水，斷層具有隔水性。但由于礦井開采深度大，水壓高，在高壓水頭和礦山壓力聯(lián)合作用下，在導(dǎo)水?dāng)鄬由媳P盲目開采大煤時(shí)，下盤含水層（大青、奧灰水）發(fā)生突水。四是導(dǎo)水陷落柱水。根據(jù)鉆探及三維地震資料，該礦井田內(nèi)發(fā)育多個(gè)導(dǎo)水陷落柱。并且井田發(fā)育的陷落柱和峰峰礦區(qū)其他井田不一樣，導(dǎo)水性很強(qiáng)，對礦井的安全構(gòu)成很大威脅。通過突水機(jī)理和突水模式的研究，為治理水患找到了“下刀”的地方。
　　綜合防控治理，擒住“水魔”去路
　　面對復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，沒有一支技術(shù)過硬的綜合防治水隊(duì)伍是不行的。 為此，該礦成立了防治水科。這是冀中能源集團(tuán)唯一一家廠礦級(jí)專職防治水隊(duì)伍，集水文地質(zhì)、物探、鉆探各專業(yè)人才，從設(shè)計(jì)到施工、現(xiàn)場管理、竣工驗(yàn)收、資料收集整理、分析研究、決策判斷等一整套全面集成的140人專職防治水隊(duì)伍，配備的設(shè)備有TEM－47型瞬變電磁物探儀、YT120S（A）型音頻電透視儀、DZD－6型直流電法物探儀、德國P120－18型風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)1臺(tái)、全液壓MKD－5S鉆機(jī)3臺(tái)、全液壓Z300－HB鉆機(jī)、液壓TUX－150鉆機(jī)、BW320注漿泵、BW250注漿泵2臺(tái)和全國第一座地面注漿站系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的科研實(shí)力。在工作實(shí)踐中，還不斷完善并形成了采區(qū)綜合補(bǔ)充勘探及水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)、采區(qū)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)及異常地段的超前探水、工作面巷道掘進(jìn)及異常地段超前探水、工作面底板注漿加固改造、工作面開采安全性評(píng)價(jià)及突水搶險(xiǎn)救援預(yù)案、工作面回采期間的水文地質(zhì)觀測、工作面采后總結(jié)等防治水工作十步走程序化管理架構(gòu)。
　　通過實(shí)施專業(yè)的技術(shù)研究，該礦確立了三個(gè)重點(diǎn)防水措施。
　　一是實(shí)施了回采工作面底板預(yù)注漿加固。在梧桐莊礦，所有掘出來的工作面第一件事不是緊張安裝進(jìn)行生產(chǎn)，而是先期進(jìn)行工作面防治水，因?yàn)樗麄冎乐挥斜ＷC在防治水上萬無一失，才能確保工作面安全生產(chǎn)。方法是對工作面上下順槽底板及切眼進(jìn)行高密度直流電法探測，探明巷道底板下深度80m范圍內(nèi)底板巖層富水情況。對工作面內(nèi)部及外側(cè)70m范圍、煤層底板下70m深度內(nèi)底板進(jìn)行礦井井下瞬變電磁法探測，探明該范圍內(nèi)含導(dǎo)水構(gòu)造及含水裂隙帶的分布，對工作面水文地質(zhì)條件予以評(píng)價(jià)。利用礦井音頻電透視法對工作面范圍內(nèi)底板進(jìn)行探測。探明煤層底板下100m深度內(nèi)含導(dǎo)水構(gòu)造及含水裂隙帶的位置、分布范圍、富水性強(qiáng)弱。對三種物探資料進(jìn)行綜合分析，得出工作面內(nèi)及四周含導(dǎo)水構(gòu)造、含水裂隙帶及底板巖層富水性情況。并打鉆對物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，然后制定綜合治理措施，對導(dǎo)水構(gòu)造、含水裂隙帶及底板巖層富水區(qū)進(jìn)行預(yù)注漿加固構(gòu)造，加固工程完工后進(jìn)行物探或鉆探驗(yàn)證，組后經(jīng)綜合評(píng)價(jià)確認(rèn)無突水危險(xiǎn)后進(jìn)行回采。
　　二是實(shí)施了導(dǎo)水通道地面鉆孔注漿封堵。對經(jīng)開掘工作面超前探測和回采工作面底板鉆探確證的威脅礦井安全的含導(dǎo)水陷落柱或其它垂向?qū)畼?gòu)造，將根據(jù)其發(fā)育高度、層位和范圍編制詳細(xì)的施工設(shè)計(jì)。采用井上、下相結(jié)合鉆孔注漿封堵的方法對其進(jìn)行封堵，將陷落柱全部充填密實(shí)，以達(dá)到使其不含水、不導(dǎo)水為目的，不但可消除其給礦井生產(chǎn)造成的危害。還封堵了奧灰含水層補(bǔ)給煤系地層含水層的通道，達(dá)到改善礦井水文地質(zhì)條件目的，例如梧桐莊礦查明的1＃陷落柱封堵成功后，經(jīng)井下出水點(diǎn)水量觀測，北翼總回風(fēng)巷水量水量由130 m³/h減小到0.5 m³/h，清撒巷水量由12m³/h減小到0.5 m³/h，182102工作面水量由450 m³/h減小為200 m³/h。注漿堵水取得了明顯效果。
　　三是對采掘工作面出水點(diǎn)地面注漿堵水工程。對工作面底板出水進(jìn)行封堵，可減小礦井無效排水，增大了礦井抗水災(zāi)能力，同時(shí)工作面底板出水部位往往是垂向?qū)畼?gòu)造部位，從而可以達(dá)到封堵奧灰含水層補(bǔ)給煤系地層含水層的通道，改善礦井水文地質(zhì)條件。
　　通過一系列的防治水措施，使礦井的正常涌水量降到了每分鐘5立方米，大大減小了工作面底板出水的幾率。但水是動(dòng)態(tài)的。由于井田內(nèi)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，還不能完全杜絕突水，未雨綢繆，超前防控，顯得格外重要。因此，該礦建成了河北省最大的綜合排水能力礦井。在井下中央泵房原有4臺(tái)潛水泵的基礎(chǔ)上實(shí)施擴(kuò)容改造，又新增了8臺(tái)潛水泵，可達(dá)到60m3/min的排水能力。使礦井綜合排水能力將達(dá)到150m3/min，有效提升了礦井抗災(zāi)防災(zāi)能力。
　　實(shí)施保水開采，開全國礦井水零排放先河。
　　在礦井達(dá)到了非常好的減水效果的基礎(chǔ)上，該礦轉(zhuǎn)變觀念，大膽設(shè)想，確立了生態(tài)保水開采新思路，由簡單防水、治水、排水升華為生態(tài)保水、開發(fā)用水。申報(bào)的《礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合綜合技術(shù)研究》被評(píng)為中國煤炭工業(yè)2009年度科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。建成了國內(nèi)首家礦井水回灌項(xiàng)目工程，在井下建設(shè)了每小時(shí)處理礦井水900 m3的礦井水回灌項(xiàng)目工程，將礦井水由井下澄清系統(tǒng)處理形成初步凈化清水，再抽到井上經(jīng)礦井水二次處理廠凈化處理，使礦井水達(dá)到家二級(jí)水質(zhì)量，供給井下消防降塵灑水、工作面底板預(yù)注漿加固改造用水、地面廠區(qū)綠化灑水等，對使用后剩余的水量全部消毒后，通過地面兩個(gè)1200米深的鉆孔再回灌到井田內(nèi)的奧灰含水層。在全國首次創(chuàng)新性地將礦井水控制、處理、利用、回灌進(jìn)行了五位一體的優(yōu)化結(jié)合，妥善解決了我國水害防控與礦山生態(tài)環(huán)境的相互矛盾與沖突問題，實(shí)現(xiàn)了礦井水的零排放和綠色開采的戰(zhàn)略目標(biāo)。年可減少開支473萬元，直接創(chuàng)效100多萬元，每年可削減懸浮物排放量788.4噸、削減總鹽排放量40292.5噸。