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在辽阔的陕西内蒙古地区，虽有广袤的沙漠，但不时会出现水洼，这里的地表水很丰沛，治理存在难度；兖矿集团将陕西内蒙古能源基地煤层开采水害模式划分为四种类型，有针对性地采取相应的防治措施，在所属3处煤矿得以应用，保障了矿井安全开采。
科技手段治水不仅可以保障矿井安全，还能用这些水美化矿区。图为营盘壕煤矿矿区风貌。 “陕西内蒙古能源基地主采煤层赋存条件、水文地质条件及充水因素等差异较大，且水文地质条件相对复杂，矿井开采覆岩破坏规律、充水规律不清，有必要系统地开展研究，分析不同条件下的水害特征，提出相应防控措施。”近日，记者来到兖矿集团，该集团总工程师孟祥军给记者讲述了陕西内蒙古能源基地如何利用科技手段防治水害。 据介绍，兖矿集团把陕西内蒙古地区作为战略发展基地之一，2010年在该地区扎根后，就着手开展水害防治工作，在前期进行深入调研、测量，掌握大量第一手资料后，2015年始选择金鸡滩煤矿、石拉乌素煤矿以及转龙湾煤矿为研究对象，开展深井水害治理研究。 2018年度中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖的名单上，兖矿集团研究的“陕蒙能源基地矿井水害模式及防治关键技术”位列其中。 提出四种水害类型 辽阔的陕西内蒙古地区，虽然有广袤的沙漠，但沙漠中不时会出现水洼。知情人都知道，这里的地表水其实很丰沛。较浅的地方，地表以下半米内就能挖出水源。 兖矿集团所属的金鸡滩煤矿位于陕北黄土高原北部、毛乌素沙漠东南缘的榆神矿区，石拉乌素煤矿和转龙湾煤矿都属于内蒙古东胜煤田，这些矿井都处于地表水丰沛地区。 “在前期大量的调查和测量工作中，我们围绕陕西内蒙古能源基地地质结构类型及富水规律、覆岩厚煤层开采导水裂缝发育特征和规律，研究了煤层开采关键隔水层时效变化及有效隔水层厚度，研究了巨厚砂岩水形成及涌突机理，形成陕西内蒙古能源基地矿井水害模式及防治关键技术。”孟祥军说，“根据不同地区不同水文地质构造，我们确定这3处煤矿受三种不同类型的水害影响。” 兖矿集团在分析煤层赋存结构特征、矿井充水水源特征等基础上，将陕西内蒙古能源基地矿井水害模式划分为四种类型，即砂—土—基岩水害、高承压基岩水害、白垩系巨厚砂岩离层水害、地表水—薄基岩水害。 围绕这四种水害类型，兖矿集团课题研究组建立了导高薄板极限挠度理论、侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度预计公式；发现关键隔水土层采动裂隙蠕变、水土相互作用渗透性变化规律，提出了松散砂层潜水下采煤防水保护层合理厚度确定的方法；建立了覆岩离层动态发育三角形离层域阶梯组合梁理论模型，提出了煤层开采离层发育、水平破断距预计公式。 采前疏放+采中排放 “金鸡滩煤矿是典型的砂—土—基岩水害矿井。”金鸡滩煤矿矿长张传昌拿出108工作面生产图纸对记者说，“这个工作面我们已经采完。当时，该工作面正常涌水量每小时达455.79立方米，最大涌水量每小时达709.75立方米。为此，我们对108工作面采取采前疏放水的方法治理水害。在工作面回采前3个月至6个月进行放水，迎着工作面推进方向布孔，总放水量达到60%至80%。开采期间，在回风顺槽、辅助运输顺槽设置中转水仓，将距离切眼最近的低洼点作为周转水仓，分别安装潜水泵作为主排水设备。为保证工作面开采期间防治水工作顺利进行，我们利用采空区作为储水、排水空间。” 据张传昌介绍，该工作面推进至500米时，工作面水量逐渐增大，随后趋于稳定。在理论分析、科学治理的基础上，108工作面实现了安全开采。 石拉乌素煤矿是典型的高承压基岩水害矿井，其201工作面为首采工作面。该矿首采工作面回采期间采用“采空区过滤储水、辅助风巷排水”的总体方案，先在回风顺槽切眼端头施工48个孔进行探放水工作，至回采前累计疏放顶板水148万立方米。工作面钻孔全部拆除完毕后，该工作面累计疏放顶板水173.1万立方米。直至首采工作面回采结束，该工作面未发生较大积水情况。 转龙湾煤矿的水害则属于地表水—薄基岩水害，其北翼303工作面为首采工作面。回采过程中，该矿密切观测顶板裂隙淋水变化情况，并提前对顶板低洼处实施探放水工作。以排水能力不低于最大涌水量1.5倍安装排水设备，各顺槽回采前备有完好的排水设备和排水管路，采用独立供电系统，派驻专人负责维修和保养，确保设备的完好，直至工作面回采结束。 对西北侏罗系煤田开发有推广价值 “我国对于覆岩导水裂缝带发育规律的研究，目前处于国际先进水平。早期，我国地质学者就对我国煤矿开采覆岩破环的导水裂缝带做了大量的实际测量和理论研究，并根据不同覆岩特性等，统计得出计算导水裂缝带高度的预测公式，指导了许多煤矿的水体下采煤试验。”孟祥军说，“随着生产力水平不断提升，导水裂缝带高度的预测公式不再完全适用，进而有必要对其进行新的探讨和研究。” 孟祥军介绍，在陕西内蒙古能源基地矿井水害模式及防治关键技术研究中，他们利用RFPA数值模拟软件，再现了厚基岩覆岩模型、厚风化带覆岩模型和厚土层覆岩模型的内采动覆岩（土）裂隙演化过程，并分析了导水裂缝带发育规律。他们利用光纤感测技术，可实现采动过程中覆岩变形破坏的动态分布式监测；设计并实施了应力恢复条件下裂隙土层渗透性演化试验；利用法国TAW—1000岩石伺服控制测试系统对不同应力条件下的损伤砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩的渗透性变化进行了测试。 “近年来，随着西部大开发建设，西部侏罗系煤田开采时也出现离层水害问题，由于采矿条件、水文地质条件的特殊性，与中东部矿井离层水涌水量相比，西部地区矿井不但涌水量会增大，而且治理难度更大。如何准确认识离层水害机理并采取切实可行的防控手段成为本课题研究的重要任务之一。”孟祥军说，“针对不同水害类型，我们提出了相应的防治措施，在3处煤矿先期开采的首采区得到了很好的应用，保障了矿井安全开采。项目研究可为兖矿集团陕西内蒙古能源基地矿井安全开采提供水害防治决策技术依据，对我国西北侏罗系煤田开发具有推广价值。” （编辑：逍遥客） |
