相邻关闭矿井的矿井水处置技术方法及实施方案

屈子明

（开滦勘察设计有限公司，河北 唐山 063018）

1 概 况

按照相关政策要求，开滦集团古冶区域的赵各庄、林西矿将实施关闭退出，再加上于2001 年已经关闭的唐家庄矿，古冶区区域共有3 座关闭或临近关闭的大型矿井，这些矿井留下的大量采空区及井下巷道，将集聚大量积水。当关闭赵各庄矿后，矿井积水至-570 m 标高位置时，将有22.45～30 m3/min 水量流入林西矿，对林西矿产生巨大影响。当关闭林西矿后，林西矿积水至-500 m 标高位置时，林西矿及赵各庄矿井下积水会通过相互联通的采空区流入与林西矿相邻的吕家坨矿，相邻矿井位置如图1 所示。为确保林西矿、吕家坨矿的安全生产，对赵各庄矿、林西矿闭井后矿井水进行科学合理处置，预防发生重大水灾事故。

图1 相邻矿井位置示意Fig.1 Adjacent mines location

2 唐家庄矿井水处置设计

唐家庄矿于2001 年关闭，总涌水量为26.2 m3/min，其中有10 m3/min 矿井水来自徐家楼井，排放矿井水至今，年排水费用多达1 600 万元。徐家楼区域与老区域之间因为存在徐Ⅰ、徐Ⅱ等大断层组（2 个断层均为正断层，落差分别为197 m、160 m），形成2 个区域煤层不连续，采空区不连通，但有2 条巷道（4129 正、副巷） 将盆地丙与徐家楼区域连通，连通情况如图2 所示。如果由地面施工钻孔对井下4129 巷道进行封堵以起到对徐家楼矿井水隔绝作用，使徐家楼矿井形成1 个独立的积水区，剩余16.2 m3/min 矿井水利用改造后的排水系统排放，每年可节约大量费用。

图2 唐家庄矿各盆地连通情况示意Fig.2 Connection of Basins in Tangjiazhuang Mine

唐家庄矿井水处置方案为先期截堵徐家楼4129 巷道，在徐家楼新井井筒内安设2 台BQ500-240/6-500-S 型潜水泵，额定流量10.0 m3/min，使徐家楼区域与盆地丙区域水压平衡，4129 巷道内涌水流动性处于相对静止状态。依托现有可利用的4129 两条巷道及原已建造的水闸墙，综合运用地面钻探、注浆技术，使井下4129 两条巷道各形成一定长度和强度的充填阻水带，使徐家楼矿井区域形成1 个独立的积水区。

后期改造排水系统排放剩余16.2 m3/min 矿井水。利用现有井下-177 m 水平排水系统继续排放剩余的矿井水，并对井下通风系统进行简化改造，精简排水人员配置。待注浆截断林吕边界水力联系工程完成后，将剩余的矿井水下放林西矿，停止排水作业。

3 保林西矿安全开采赵各庄矿排水设计

赵各庄矿关闭后，根据赵林边界采掘、煤柱留设、地质、水文等资料的研究，赵各庄矿井水淹至-570 m 位置以上时，如果不采取排放措施，将有22.45~30 m3/min 水量流入林西矿，将对林西矿产生巨大影响。林西矿现有排水系统仅能排放该矿现有矿井水，排水系统没有富余排水能力，为了保证林西矿安全生产，需对赵各庄矿关闭后的矿井水进行处置。

3.1 赵各庄矿排水系统及涌水概况

矿井各水平的涌水通过各自的水平巷道集中于井底车场，直接进入水仓或沿马路眼、斜井下放，再分级上排，分别集中于4、7、10、12、13 和14水平水仓，1、2、3 水平的涌水下放到4 水平，最终由4、7 两个水平泵房直排地表，矿井排水系统如图3 所示。根据赵各庄矿井涌水观测，当水淹没到8 水平时，8 水平及以下矿井涌水量为12.8～13.6 m3/min，淹没到-570 m，涌水量为11.6 m3/min。

图3 赵各庄矿井排水系统示意Fig.3 Mine drainage system in Zhaogezhuang Mine

3.2 排水设计

保林西矿安全开采主要有在林西矿排水和在赵各庄矿排水2 个方案可供选择。

3.2.1 在林西矿排水方案

如果赵各庄矿停止排水，当矿井淹没到-570 m 以上时，涌水将渗漏到林西矿9 水平。而林西矿9 水平泵房排水能力已达上限，如果再增加赵各庄矿的涌水量，需要对9 水平泵房水仓进行扩容改造，根据现有资料，无法准确分析出赵各庄矿井淹没至-570 m 以上时，涌水渗漏到林西矿的渗漏通道及渗漏量，有可能22.45～30 m3/min 全部渗漏到林西矿9 水平，这是最理想状态；也有可能部分矿井水渗漏到林西矿9 水平，部分矿井水滞留在赵各庄井下，当水位达到一定位置时，突发涌入林西矿，发生灾难性的后果。为了解决以上问题，提出从林西矿9～10 水平（-600 m） 新掘巷道与赵各庄8 水平掘透，把赵各庄矿井水引到林西矿，把赵各庄井下巷道作为超大水仓，在林西9～10 水平布置正压泵房，从林西6 号井布置排水管路直排地面。

该方案解决了渗漏通道不清、渗漏量不定、安全无保障的问题，变不定因素为确定因素，但存在严重的高水低排问题，排水电费大幅增加，原来可以从赵各庄4 水平（-288 m）、7 水平（-550 m）直排地面的水全部下放林西矿9～10 水平（-600 m） 排放。另外新掘联通赵各庄矿8 水平与林西矿的巷道，属于越界开采范畴。

根据以上分析在林西矿排水方案不可行。

3.2.2 在赵各庄矿排水方案

根据赵各庄矿现有排水系统和需控制的排水标高初步确定4 个方案：①在赵各庄矿地面使用潜水泵排水方案；②保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安设潜水泵排水方案；③保留4、7 水平泵房，在8 水平安设卧泵排水方案；④13、14 水平停止排水，保留12 水平以上泵房排水方案。

方案1 在地面使用潜水泵排水，需要8 水平（-646 m） 直通地面的井筒，而赵各庄直通地面最深的井筒是038 风井（地面至7 水平），如果把038 风井作为潜水泵排水井，需要新掘90 m 井筒，井筒延伸到8 水平时井底距奥灰水较近，小于安全距离，故该方案为不可行方案。

方案2～4 技术上均可行，通过经济比较，方案2 投资净现值最少，方案技术可行，经济合理。即采用保留4、7 水平泵房，在7～8 水平暗立井安设潜水泵排水方案。

赵各庄矿关井后对赵各庄矿排水系统、运输系统、通风系统进行改造以适应关井后排水、上下人员、设备及通风；同时为了减少矿井涌水量，对一些涌水点进行封堵；4、7 水平泵房内的老旧水泵、开关及管路根据需要进行更换。

4 保吕家坨矿安全开采截排水设计

赵各庄矿停止排水并淹至-570 m 位置后，预计将有26 m3/min 水量涌入林西矿；林西矿停止排水并淹至-500 m 位置后，预计将有22.58 m3/min水量涌入吕家坨矿；当唐家庄矿、赵各庄矿、林西矿都停止排水并淹至-500 m 位置通后，预计将有48.58 m3/min 左右水量涌入吕家坨矿。

保吕家坨矿安全开采主要有3 个方案，即截水方案、潜水泵排水方案以及卧泵排水方案。

4.1 注浆截断林吕边界水力联系方案

林西矿关闭后，如果不继续排水，就必须对林西矿与吕家坨矿之间边界保护煤柱进行注浆加固，形成完整的堵水体系，才能保证吕家坨矿将来生产的安全。因此，在林西矿、吕家坨矿边界线对应地面上施工注浆钻孔，进行注浆加固边界保护煤柱的方案，来保证吕家坨矿将来矿井安全生产。

注浆堵水加固治理范围南北长约1.5 km，东西宽60 m，面积约167 768 m2，高度由5 煤层以上80 m 到9 煤层或12 煤层底板（即主采煤层底板）位置，平均高度140 m。在2 个矿的边界附近与古范铁路线之间，布置注浆钻孔，由北向南，由深部到浅部，对采煤形成的冒落带、裂隙带以及煤层地层的原生裂隙进行注浆充填与加固，在两矿边界带形成完整的注浆堵水的帷幕墙，阻断林西矿与吕家坨矿之间的水力联系。根据现场勘查结果，施工区域中间部分受到地面工厂限制，无法布置钻孔，要考虑施工定向钻孔。钻孔钻探进尺合计约72 540 m，累计注浆量约301 690 m3。

4.2 潜水泵排水方案

在林西矿6 号井（上井口标高为41.6 m，井底标高为-709.3 m，井筒深度为750.9 m,井筒直径为A7.8 m） 和赵各庄矿038 风井（上井口标高为52 m，井底标高为-552.9 m，井筒深度为604.9 m，井筒直径为A6 m） 井筒内分别安设潜水泵，担负排放赵各庄矿、林西矿全部矿井水，水位保持在-500 m 以下，来保证吕家坨矿生产安全。

根据调研，国内有相关矿井采用潜水泵作为井下永久泵房排水泵使用。此外，关井后，矿井水质变好，由原来的浑水变为清水，更有利于潜水泵排水。

4.3 卧泵排水方案

根据吕家坨矿、林西矿边界煤柱情况，林西矿关井后，矿井涌水从-500 m 左右的位置流入吕家坨矿井下，而林西矿8 水平标高为-450 m，9 水平为-570 m。林西矿排水必须保持在-500 m 以下，才能保证吕家坨矿的安全生产，所以排水水泵房定在9 水平，即9 水平以下淹井，9 水平以上维持正常通风、排水。因此该方案是在保留林西矿4、6、8 水平泵房的基础上新建9 水平泵房排水系统，赵各庄矿、林西矿全部矿井水，水位保持在林西矿9水平，来保证吕家坨矿生产安全。

4.4 方案比较及确定

对上述3 个方案优缺点进行比较，见表1。

表1 方案优缺点对比Table1 Comparison of advantages and disadvantages of the plan

对3 个方案工程费用和年运行费用进行比较，各方案净现值大小排序为，方案Ⅰ< 方案Ⅱ< 方案Ⅲ。

从3 个方案的优缺点和工程净现值比较中可以看出：

（1） 方案Ⅲ工程费用及年运行费用最高，而且需要人员上下井，存在一定的安全管理问题，与方案Ⅰ和方案Ⅱ相比明显处于劣势，不再作为推荐方案。

（2） 方案Ⅰ可以彻底截断林西矿与吕家坨矿的水力联系，消除矿井保护煤柱失效这一重大安全隐患，可以提高古冶区域地下水水位，对保护和利用地下水资源极为有利，而且经济效果好，但一次性投入过高，尤其是其截水效果有一定的不确定性，不能保证万无一失，安全风险较大。

（3） 方案Ⅱ可以充分利用赵各庄矿和林西矿的现有井筒安设潜水泵，保证将水位控制在相邻矿井水力联系通道标高以下，同时可利用井下巷道和采空区形成的超大“水仓”躲峰填谷，降低排水电费，矿井水还可以继续供给现有用户，但因排水高度较大，年运行费用较高，并且因吕家坨矿服务年限较长，总的运行费用高。

方案Ⅰ和方案Ⅱ，都有不尽人意的地方，推荐采取方案Ⅰ和方案Ⅱ相结合的方式，即前期先按照方案Ⅱ实施，将潜水泵设置至-500 m 以下，逐步提高水位，摸清林吕边界水力联系，再有针对性地对林吕边界由下至上实施方案Ⅰ，彻底截断林吕边界水力联系或根据取水需求确定需要截堵林吕边界水力联系标高，潜水泵可以继续为用户供水，变负担为资源，继续履行林西矿、唐家庄矿与地面其他工业企业用户供水协议。

5 结 语

目前唐家庄矿、赵各庄矿已按设计方案实施，达到了设计预期效果。对关闭矿井的矿井水进行主动封堵，解决其对相邻生产矿井的潜在威胁，形成了以预防为主，提前注浆封堵，截排相结合的防治水技术体系，实现吕家坨矿不受其相邻关闭矿井水灾害威胁。关闭矿井采空区注浆堵水技术不但达到了封堵水目的，还可以提高该地区地下水位，在一定程度上减缓了矿区地面沉降，保护该区域地下水资源。该项目实施后对开滦集团所属矿井具有重要指导意义，为其他矿区类似问题提供参考。