哈尔滨新发煤矿特厚煤层综放开采水环境优化研究

哈尔滨新发煤矿特厚煤层综放开采水环境优化研究

1区内地表、垂直剖面的分布新发煤矿于1997年10月开始生产，设计生产能力为60万吨吨。采区为中生代什子河群地层，开采高度为50.09m。矿区为翅膀，块体拉面。全矿共有5个采区,自西向东分别为西四、西三、西二、西一、东一采区。该矿是典型的水体下采煤,穆棱河与新发煤矿井巷最短的垂直距离只有150m,其中包括穆棱河第四系冲积层分布范围广,垂直厚度为12m,覆盖整个井田地表。城子河组煤层上覆岩层基本上都是中细粒砂岩沉积,不发育厚度5m以上的粘土隔水层,因此井下涌水量很大,防治水工作对矿井安全生产有着重要的意义。2矿井涌水量持续增1997年新发煤矿投产以后,随着采掘生产的进行,矿井涌水量持续增大,特别是自2005年矿井涌水量迅速增大,2007年最大涌水量达到1100m3/h。分析涌水量增大的原因,主要是由于新发煤矿限定的+50m开采上限偏高,地表的风化带含水层底界面受构造、岩性变化等影响下移,矿井的可采煤层的累积厚度不断增加,局部达到7.0m;随着采区面积不断扩大,井下采煤工作面走向长度小,采煤队跳面搬家频繁,采空区累计总面积不断增加,顶板岩石下沉加快,造成工作面导水裂缝带与煤系地层上覆岩层风化裂隙含水层沟通,使风化裂隙含水层与第四系底部砂砾含水层有密切的水力联系,导致矿井涌水量持续增大。加之采区地表为穆棱河第四系冲积层,由于采动影响,随着时间的推移,塌陷已经出现,周围发现有数条较宽的裂缝,形成导水通道。由于与穆棱河相毗邻,盆地形成大面积的积水洼地,使新发煤矿井下的涌水量逐年增大。新发煤矿于1997年10月16日正式投产,采矿许可证规定可采标高为-900~+50m。哈尔滨煤矿设计院1992年提交的《鸡西矿务局西鸡西立井优化设计》上,对新发煤矿每月平均涌水量预测为360.0m3/h,对新发煤矿矿井最大涌水量预测为400m3/h。而实际上从2005-2008年,新发煤矿矿井每月涌水量平均为645.2m3/h,汛期每月最大涌水量平均为929.8m3/h,远远超出了矿井设计所预测的涌水量数值。井下涌水量持续增加,给新发煤矿防排水工作带来很大压力。这是一个日益突出的问题,它与煤矿的安全生产和可持续发展有着很重要的关系,因此必须采取切实有效的措施进行防治。3生产和开拓准备的区新发煤矿一水平(-250m以上)分别有西一采区、西二采区、西三采区、西四采区和东一采区。目前正在生产和开拓准备的有西一采区、东一采区、西二采区和西三采区。对矿井涌水量的预测,就得分别对各采区今后的涌水量情况进行计算,以下是各采区的情况。3.1矿井涌水量预测目前在西一采区已经开采10a时间,所剩煤炭储量很少,矿井涌水量已基本达到极限,2010年西一采区汛期预计的涌水量预计为1100m3/h。3.2开采上限分布在西二采区只对单一煤层36A#进行了开采,回采面积很小,对29#煤层只进行了掘进,开采上限没有达到海拔+50m标高以上。该采区设计开采42#、41#、36A#、29#煤层,由于地质构造复杂和地表梁家村的压煤,考虑实行条带式采煤,同时也不会超过防水煤柱,预计矿井最大涌水量不会超过100m3/h。3.3参数选取及参数取值东一采区目前的矿井涌水量不是很大,东一采区36A#煤层右三巷、右四巷及切割上山送完,已构成回采工作面。下巷的顶板发育多条节理性质的裂隙,有7道裂隙淋水,上山口往下30m处,顶板有一北西走向的构造裂隙带,淋水很大,涌水量为36.9m3/h;预计工作面开采后随着开采面积增加,采区涌水量将会大幅度增加。以下是对东一采区一水平36A#煤层开采结束后,产生的矿井涌水量的数学预测。采用承压向无压类型,回采工作面为右四~右三、右二~右一、左四~左三、左二~左一四个采面。计算公式为:Q=1.366×Κ2ΗΜ-ΜΜ-hhlnR0lnr0(1)Q=1.366×K2HM−MM−hhlnR0lnr0(1)式中Q——涌水量,m3/h;K——渗透系数,m/D;H——采深,m;M——含水层厚,m;R0——引用影响半径,m;R0=R+r0R——影响半径,m;r0——引用半径,m;h——动水位标高,m。以上各种参数取值依据如下:渗透系数K取值,选自鸡西矿业集团地质勘探队1984年7月提交的《城子河西扩区地质补充勘探报告》,即K=0.849m/D;采深H取值,由地表标高+190m与东一采区右二/36A采煤工作面上巷标高-30m来定,即H=220m;含水层厚度M取值,选自鸡西矿业集团地质勘探队1984年7月提交的《城子河西扩区地质补充勘探报告》,即M=147.7m;影响半径R取值,根据公式计算,即R=2Η√Κ=405.4mR=2HK−−√=405.4m;引用半径r0取值,取自东一采区36A#煤层工作面的面积S,即r0=√S/π=191.5mr0=S/π−−−√=191.5m;引用影响半径R0取值,由公式计算,即R0=R+r0=596.9m。采深h取值,由地表标高+190m与含水层厚度、东一采区右三/36A#采煤工作面标高来定,即h=+190-147.7+127.8=170.1m。将上述各数值代入式(1),计算出Q值,即Q=604m3/h。由以上可知东一采区开采36A#煤层,预计由此产生的矿井最大涌水量为604m3/h。3.4控制矿井涌水量西三采区只开采36A#和24#2个煤层,从2008-2015年将进行规模开采。如果不超过采矿许可证规定的+50m开采上限,吸取开采西一采区的教训,矿井涌水量可以进行控制。该采区地表为穆棱河自滴道区向东流向城子河转弯处,使西三采区的局部与河流构成空间的铅垂上下关系,与东一采区的情况相似。开采此采区而产生的矿井涌水量,计算方法与东一采区同理,具体计算步骤省去,结果预计西三采区开采形成的最大涌水量将达到500m3/h。西四采区由于位于煤矿最西边界,地质构造复杂,24#、4#煤层不发育,其它各煤层几乎全是表外储量,煤质差,因此暂不能利用,矿井涌水量忽略不计。3.5矿井涌水量预测全矿井的最大涌水量的预计,为西一采区、东一采区、西二采区与西三采区的和,即2304m3/h,所以,新发煤矿在开采西一采区之后,开采东一采区、西二采区与西三采区所产生的矿井最大涌水量预计为2304m3/h。根据统计数据,新发煤矿的正常涌水量为最大涌水量的0.69倍,即新发煤矿正常涌水量预计为1590m3/h。4副井井段矿井涌水量新发煤矿目前在-250m水平设有1个中央集中排水泵房,安设5台PJ200B×6型水泵,每台排水量为420m3/h,扬程为501m。正常时为2台工作,2台备用,1台检修。在副井井筒铺设有Φ325×10排水管路3趟,各为500m。在地面铺设有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,分别排入穆棱河。在井底设有甲乙丙丁4个水仓,总容水量为6380m3。目前,矿井的正常涌水量为650m3/h,最大涌水量预计为1100m3/h。下面分别在水仓容量和水泵排水2大项对矿井排水能力进行核算。4.1矿井正常涌水量计算根据《煤矿安全规程》第二百八十条:“矿井正常涌水量在1000m3/h以下时,主要水仓的有效容量为矿井8h的正常涌水量”即V=8×Q=5200m3。矿井现水仓的有效容积为6380m3,满足当前要求。4.2正常涌水2q作泵该矿现有PJ200B×6型水泵5台,每台排水量420m3/h,其中2台工作、2台备用、1台检修,根据《煤矿安全规程》第二百八十条:工作水泵的能力,应能在20h内排出矿井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满足要求。工作泵和备用泵的总能力,要在20h内排出矿井24h的最大涌水量,即24×Q最大涌水2×Q⌶作泵+2Q备=15.7﹤2024×Q最大涌水2×Q⌶作泵+2Q备=15.7﹤20满足要求。4.3正常涌水量计算该矿现有Φ325×10排水管路3趟,其中2趟工作、1趟备用,根据《煤矿安全规程》第二百八十条:工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井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满足要求。工作和备用水管的总能力,应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井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满足要求。5水平开采后期全矿井涌水量分析根据前述矿井一水平开采后期涌水量预测分析,一水平开采后期全矿井正常涌水量可达到1590m3/h,矿井最大涌水量可达到2300m3/h。5.1矿井涌水量计算根据《煤矿安全规程》第二百八十条规定,正常涌水量>1000m3/h的矿井,主要水仓有效容量按下式计算:V=2(Q+3000)式中V——主要水仓的有效容量,m3Q——矿井每小时正常涌水量,m3。因此矿井一水平开采后期,主要水仓有效容积应达到:V=2(Q+3000)=9180m3现有水仓容积6380m3满足不了要求,需增加△V=9180-6380=2800m3。5.2工作水泵和备用泵根据《煤矿安全规程》第二百八十条规定,工作水泵排水能力应为Q⌶作=24×Q正常涌水20=1908m3/hQ⌶作=24×Q正常涌水20=1908m3/h工作水泵台数应为T工作=1908/420=4.5(台)工作泵和备用泵排水能力应为:Q⌶作+Q备用=24×Q最大20=2760m3/hQ⌶作+Q备用=24×Q最大20=2760m3/h工作和备用泵总台数应为T总=6.5台。显然现有水泵能力已满足不了一水平开采后期矿井涌水量要求。经选型,需新增3台PJ200B×6型水泵,该水泵扬程500m,排水量420m3/h,工作水泵确定为5台PJ200B×6型水泵,小时排水总能力为5×420=2100m3/h>1908m3/h满足要求。备用水泵确定为2台PJ200B×6型水泵,检修泵1台。工作和备用泵小时总排水能力为7×420=2940m3/h>2760m3/h,满足要求。5.3正常涌水2d/22.2.2工作管路能力算例根据《煤矿安全规程》第二百八十条规定,一水平开采后期,根据矿井预测的涌水量情况,对现有排水管路能力进行核算:工作管路能力核算:(按现有2趟工作管路计算)24×Q正常涌水2π(D/2)2×2.5×3600=25.6h＞20h不能满足要求。按3趟工作管路计算:24×Q正常涌水3π(D/2)2×2.5×3600=17.0h＜20h满足要求。工作和备用管路能力核算:24×Q最大4π(D/2)2×2.5×3600=18.5h﹤20h满足要求。6井下排水能力综合改造从以上分析计算可以看出,该矿现有主排水系统已满足不了矿井将来安全生产的需要,需要以现有排水系统进行增能力改造,因此,新发煤矿在2008年度和2009年初先后从以下几方面对井下排水能力进行了综合改造。(1)排水泵房改造经过计划批复,对中央泵房进行扩建,在新发煤矿-250m水平的中央集中排水泵房,由原来安设5台PJ200B×6型水泵增加到8台,每台排水量为420m3/h,扬程为501m,目前正常时2台工作,2台备用,1台检修。一水平开采后期将有5台同型号的水泵工作,2台备用,1台检修。(2)运输及设备概况在副井井筒新铺设Φ325×10排水管路1趟,由原来2趟排水管路增加到3趟,各500m。在地面铺设有Φ400、长800m2趟排水管路的基础上,增设Φ600排水管路1趟,长800m;增设Φ500排水管路1趟,300m。使一水平开采后期矿井水经排水管路排入到穆棱河。(3)矿井水仓蓄存能力增加在井底原设计有甲、乙、丙、丁4个水仓,总容水量6380m3。2009年初,新发煤矿布置掘进队在中央乙水仓一侧,又打了1个戊水仓,增大了水仓的容量3518m3,使井底中央水仓增加蓄存矿井水能力,总容水量增加到9898m3。(4)b东主运道水压由于水量的增加,新发煤矿井底一水平(-250m)东主运道水沟水位急剧上涨,有时水流溢出水沟,使主运道部分地段形成积水,给运输带来严重影响。对此,已经采取在巷道另一侧打1副水沟分流的办法来解决。(5)水患优化工程及时清理中央水仓、东西主运道和总石门的排水沟,挖出煤粉、淤泥,融通渠道,增加容量,延缓水泵排水时间,为解决水患创造条件。在采区集中排水地段和采煤工作面下巷,设计施工了临时沉淀池,派专人对沉淀池内煤粉进行及时清理,