1项目背景

1.1矿井概况

郭二庄煤矿二坑于1984年开始对该区的下组煤进行了勘探和设计，并做了大量水文地质和防治水工作。1986年完成《郭二庄煤矿-100m防排水工程初步设计》及批复，1988年进入-100m防排水工程实施阶段。该防排水工程为正压排水系统，设置于张二庄村庄煤柱内（一坑和二坑交界处），自一坑二水平轨道暗斜井-100m标高布置大巷至工程设计位置，由一坑担负该排水工程的施工、运输及维护，工程主要有-100运输大巷、泵房、变电所、水仓、管子道、排水管子井及地面张二庄35kV变电站，该工程于1993年完工。2002年，奥灰水水位持续下降至+65m左右，在不带压的基础上，郭二庄煤矿二坑利用原有生产系统对+73m以浅下组煤进行了试采，下组煤试采正式进入实施阶段。2008年开始，二坑进行了安全改造工程，在工业广场内新建一混合井，混合井装备主副两套提升设备担负煤炭及辅助提升任务，利用浅部的两个小窑井筒并联担负回风任务，形成+73m、+20m运输和回风系统。各系统设计下组煤开采排水系统设计选择最为重要。

1.2地质概况

井田内出露的地层自老至新依次有中奥陶统、石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组及第四系。井田内与开采下组煤有关的含水层，自下而上主要有中奥陶系灰岩、本溪灰岩、上石炭系大青灰岩、伏青灰岩。开采下组煤影响最大的是含水层为中奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层。中奥陶系灰岩总厚约600m，由于六段以角砾状灰岩、角砾为主，泥质及白云质含量高，岩溶不发育，富水性微弱，厚度为31.03～66.72m，阻挡了下部灰岩的地下向矿井充水，因此与下组煤开采有关的直接或间接充水含水层层段为奥灰七段和八段。奥灰第七段以深灰色厚层灰岩及花斑状灰岩为主，平均厚度85.47m，富水性较强，岩溶发育。近十几年来，奥灰水位下降幅度较大，尤其自1997年以来，水位持续下降，由1997年的+140m降至2011年的+10m，年度恢复幅度仅为5～20m。主要原因是工农业取水量加大所至，并且这一过程将持续下去，奥灰水位将不会大幅度回升。矿井开采井田-100m水平开采下组煤的主要充水水源为大青、伏青、本溪、奥陶系灰岩和岩浆岩裂隙含水层。充水因素分析：根据下组煤地区水文地质条件，可以预计开采过程中存在以下三种矿井充水因素：（1）-100m水平伏青、大青灰岩疏干涌水；（2）开采过程中本溪灰岩涌水，如断层导水、开采底板涌水；（3）奥灰突水，如未封钻孔、断层、开采突水等。-100m下组煤开采中正常涌水和最大涌水量由前两项构成，设防水量主要由奥灰突水水量构成。-100水平下组煤正常涌水量为264.8m3/h；不考虑奥灰突水的最大涌水量为339.1m3/h；奥灰水疏降到-100m水平时涌水量为1748m3/h；水平最大（设防）涌水量为2087.1m3/h。

2排水方案

2.1安全原则

下组煤开采防止底板突水是保证安全开采的关键，一旦突水，要保证不淹矿井、不伤人，将水患控制在最小范围内，为此必须要有严格的安全技术措施，并认真执行是极为重要的。首先要遵循下组煤的开采原则，即由浅至深、先易后难、循序渐进和选择性开采。其次建立下组煤开采独立的生产系统，分区隔离；治水方面，以防为主，坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则，采取防堵疏排截的综合治理措施；带压开采，必要时辅以疏放；选择恰当的采煤工艺，减少对底板的破坏深度；建立必要的矿井设防排水能力和可靠的防水设施；建立矿井抗灾组织系统，明确避灾路线，完善通风联络系统；定期对防排水设施维护等诸方面。依据防治水工作的基本原则，重点应该放在以下四个方面：（1）分区隔离开采，减小突发水害事故的灾害损失；（2）建立防排水系统，提升排水能力，建立应急预案，应对突发水害事故；（3）探治结合，探查煤层底板隐伏导水构造，注浆加固煤层底板薄弱区段，甚至全面改造煤层底板隔水层，防治底板突水；（4）优化坚硬顶板管理方式，减小采煤对底板隔水层的扰动破坏深度。

2.2排水系统的设计

对于开采下组煤排水系统，可以在首采区的下部-100m标高新建防排水系统，但存在以下特点：（1）建设泵房、变电所、水仓等工程时无法疏放大青、伏青及岩浆岩裂隙含水层的水；（2）在工程地质条件上太原组地层岩性较差，遇水软化膨胀，支护较困难，不适合施工大断面硐室及水仓工程；（3）工程量比较大，新建泵房、通道及水仓需要1370m/1880m3，新建变电所及通道需要20m/640m3；（4）混合井井筒需要布置3趟Φ377排水管路，布置困难；（5）可以根据当前的排水设备进行最优的排水系统设计，可选潜水泵。另外可以利用前期的强排系统，该系统存在以下特点：（1）该强排系统方案的设计、选址、文件的批复均已完成，并且施工了部分工程且项目质量保存良好；（2）剩余工程不多，在完成-100疏水巷（1019m）、水闸墙工程（15m），事故水仓（50m），进行泵房、变电所部分改造和安装设备后即可服务于-100m水平下组煤的开采，其施工条件均已具备；（3）需要对泵房、变电所实际情况进行设备选型，设计上比较繁琐。综合考虑-100水平另选址建设防排水系统是不合适的，利用原设计的-100m水平强排水工程，服务-100m水平下组煤开采是最佳选择。与新建-100m排水系统工程相比，工程量减少306m/2520m3，估算工程建设可节约投资约683.7万元。

2.3泵房的设置

在-100m水平设置中央排水泵房，直接将矿井水通过管子道、管子井排至地面+214m。根据矿井提供正常涌水量（Qz=264.8m3/h），最大涌水量（Qd=439.1m3/h），设防涌水量（Qd=2087.1m3/h），排水高度（Hn=327.4m）等参数设计计算选择布置有7台MD500-57×6型水泵，正常涌水时1台泵工作，最大涌水时2台泵同时工作，设防涌水时6台泵同时工作；布置3趟排水管，正常涌水量时，1趟工作，2趟备用；最大涌水时可1趟工作，也可2趟同时工作。6台泵同时工作，3趟管路同时工作。

2.4管路的设置

管路的设置既要满足正常排水系统的要求，又要满足突水时排水系统的要求。经计算选直径为Φ377×11的无缝钢管作为排水管路，共布置3趟排水管，正常涌水量时，1趟工作，2趟备用；最大涌水时可1趟工作，也可2趟同时工作。设防涌水时，3趟管路同时工作。

3完成情况

矿井-100排水系统恢复于2010年开始实施，2011年投入运行，三年来系统运行状况良好，没有发生故障，确保了矿井排水设防的安全。主要关键点是：（1）下组煤开采防止底板突水是保证安全开采的关键，一旦突水，要保证不淹矿井、不伤人、将水患控制在最小范围内，为此必须要有严格的安全技术措施，并认真执行是极为重要的；（2）建立独立的生产系统：将一坑与二坑和二坑上下组煤系统之间隔离，设计采用水闸门和水闸墙隔离方式，在必要时封闭采区，保证不淹井、不影响一坑生产系统。一采区设计在+73m石门和轨道暗斜井处各设一道1.0MPa的平板水闸门。在-100m主石门设一道水闸墙，矿井一、二坑连通处均采用水闸墙封闭隔离；（3）利用原有下组煤排水工程建立-100m水平强排工程，根据-100m水平下组煤涌水量预计，本次设计-100m水平泵房排水能力按2087.1m3/h设防考虑。

4结语

生产矿井有其特殊性，开采深度逐年增加，水文地质条件均趋于复杂，防治水工作难度亦逐年加大。而利用现有排水系统工程或部分工程进行改造，不仅减少了建设工程的投资，加快了工程的建设，而且能够满足矿井开采下组煤排水和设防的要求。本设计针对性和实用性较强。