CN116104567A - 一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，包括确定拦截泥砂临时防护系统的设计方案；在风巷或机巷的煤壁上布置若干格栅过滤系统用于拦截泥沙；根据预测的工作面的正常涌水量和最大涌水量，在风巷或机巷中规划布置沉淀池、排水系统；携泥砂突水发生时，开启格栅过滤系统；待涌水停止后，采用人工清理泥砂淤积物。本发明的格栅过滤系统能够将泥砂等物质充分拦截在水仓之前，以保证水泵能够正常运行工作。本发明采用实时拦截的临时排水方法，弥补了如今煤矿井下携泥砂水的防治治理措施的不足，减少携泥砂灾害造成的损失，提高煤炭企业挖潜改造效益和安全生产。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法领域，具体涉及一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法。
背景技术
携泥砂突水是煤炭资源开采过程中危害较严重的灾害之一，具有突发性、灾难性、破坏性、继发性的特点。涌突水事故发生往往表现为工作面涌突水伴有大量泥砂下泄，泥砂会淤塞工作面和巷道，掩埋机械设备，造成排水水泵堵塞，出现淹工作面甚至淹井的安全事故，同时泥砂等物质极难清理恢复，影响煤矿正常生产，造成严重的经济损失，其形成示意图见附图1。
目前对于携泥砂水的防治理方法主要从两个角度展开，即对携泥砂水的灾前防治措施和灾后治理措施。携泥砂水的灾前防治措施是从减轻覆岩破坏程度和降低地下水位来预防携泥砂水害发生。从减轻采动覆岩破坏的角度，采用了多种措施，来减少覆岩破坏，例如留设防水、防砂安全煤岩柱，条带开采、房柱开采等不完全开采措施或者井下充填技术等；从降低初始地下水位角度，采前疏降上部含水层中地下水是解决溃砂地质灾害有效的措施。此外，有些矿区也采取了注浆加固和铺设双抗网的手段来防治煤矿突水溃砂事故的发生。对于携泥砂水害灾后治理措施是在工作面巷道内尽可能地采取涌水自流进行防治，若由于现场情况无法采取涌水自流的方式应为其配置相应的水泵和管路。当工作面涌突水结束后，采用人工来清理淤积的巷道和工作面。以上这些措施都是针对携泥砂水害的灾前防治和灾后治理，而目前对于携泥砂水灾害实时治理却很少有人提及，携泥砂涌水实时治理技术亟待开发。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其能够使泥砂迅速沉降，避免水泵堵塞，避免造成淹工作面、淹井的事故发生。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，包括以下步骤：
步骤一、了解工作面的俯仰采情况、机巷和风巷的布置情况、低洼点情况以及已有的排水情况，确定拦截泥砂临时防护系统的设计方案，拦截泥砂临时防护系统包括格栅过滤系统、沉淀池以及排水系统；
步骤二、在风巷或机巷的煤壁上布置若干格栅过滤系统用于拦截泥沙，格栅过滤系统由孔径逐渐减小的多层格栅组成，每层格栅均能够单独控制是否开启；
步骤三、根据预测的工作面的正常涌水量和最大涌水量，在风巷或机巷中规划布置沉淀池、排水系统；
步骤四、携泥砂突水发生时，立即开启格栅过滤系统，保证格栅过滤系统、沉淀池和排水系统处于工作状态；
步骤五、待涌水停止后，采用人工清理泥砂淤积物。
优选地，步骤一中，若工作面回采为俯采方式，回采期间产生的涌水则沿着排水系统中的水沟或水槽自流到远离切眼的水仓中；若工作面回采为仰采方式，则回采期间产生的涌水无法自流到水仓中，反而会流到切眼位置，为保证采煤活动的正常进行，需要在靠近切眼位置设置水仓、水泵和沉淀池。
优选地，步骤一中，若工作面存在低洼点，为保证低洼处的水及时排出，需单独在此处设置排水点；当涌水中含有大量泥砂物质，该低洼点作为沉淀池使用。
优选地，步骤二中，格栅过滤系统采用三层格栅设计，分为粗格栅、中格栅和细格栅，粗格栅拦截60mm以上的大直径物质；中格栅拦截20mm以上的物质；细格栅拦截3mm以上的物质；栅格规格的计算公式为：
格栅间隙数：
格栅宽度：B＝s(n-1)+bn
通过格栅水头损失：h1＝h0k
式中：S-栅格条宽度(m)；b-栅条间隙(m)；
n-栅条间隙数(个)；Qmax-最大设计流量；
α-栅前倾角(°)；h-栅前水深(m)；
ν-过栅流速(m/s)；h0-计算水头损失(m)；
g-重力加速度(m/s2)；-阻力系数；
k-系数，格栅受堵塞时水头损失增大倍数，此处取3。
优选地，步骤二中，风巷中的格栅过滤系统需均匀的布置多组，相邻格栅过滤系统之间距离约100m，格栅过滤系统的套数取决于煤层直接顶的岩性，即根据泥岩或弱胶结砂岩含量来设置；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为60％-100％，风巷和机巷的格栅过滤系统全部开启；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为30％-60％，风巷为主要排水点，开启风巷的全部格栅过滤系统；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为0％-30％，风巷中的格栅过滤系统间隔开启，即每200m开启一套格栅系统。
优选地，步骤二中，格栅过滤系统中各个格栅的启闭根据携泥砂涌水中含泥砂量来确定，若涌水中含泥砂量超过25‰，且含有较大块体物质时，粗、中、细格栅全部开启；若涌水含泥砂量小于25‰，且无较大块体时，只开启粗格栅和细格栅。
优选地，步骤二中，在设置格栅过滤系统的两侧巷壁上挖有2-3m3的硐室，作为格栅拦截泥砂的暂时存储位置。
格栅过滤系统中的格栅以对开门的形式安装在两侧煤壁上，正常状态下，两侧的格栅与煤壁平行且呈开门状态，当发生携泥砂水时，格栅在控制中心的命令下，其转轴通过电机带动，格栅呈关门闭合状态拦截煤块泥砂物质。
优选地，步骤三中，涌水杂质多，需要在水仓通道里采用平行于大巷的方式布置沉淀池，先将矿井涌水进行一次沉淀；
其中沉淀池长度取5m，断面尺寸宽×高＝1.2m×1m，在通道两侧各布置一个，每个沉淀池都配有闸板，闸板由控制中心控制开启，两个沉淀池轮换使用、清理，在大涌水时两个沉淀池同时使用，沉淀池平行于大巷布置。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在工艺上设置格栅过滤系统，格栅过滤系统为三级过滤，将泥砂等物质充分拦截在水仓之前，以保证水泵能够正常运行工作。
2、本发明采用实时拦截的临时排水方法，该排水方法在一定程度上弥补了如今煤矿井下携泥砂水的防治治理措施的不足，减少携泥砂灾害造成的损失，提高煤炭企业挖潜改造效益和安全生产。
3、本发明基于工作面实际情况，创新性地将格栅设计成可开闭式，使得其不影响正常的采煤工作进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的携泥砂涌水形成示意图；
图2：携泥砂涌水临排系统布置图
图3：携泥砂涌水巷道布置图
图4：格栅布置三维立体图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下以陕西金源招贤煤矿1304工作面为例，图1为携泥砂涌水形成示意图；
招贤煤矿1304工作面位于首采区西北部，为1307工作面的接替面，该面东至北翼回风大巷保护煤柱；西至八采区大巷保护煤柱；北至设计的1302工作面机巷；南至设计的1306工作面风巷。
工作面走向长1680m，倾斜宽186m。区内地层由老至新依次有：三叠系中统铜川组(T2t)，侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)，新近系(N)及第四系中-上更新统(Q2+3)、全新统(Q4)。
1304工作面洛河组平均厚度为44.59m，宜君组平均厚度为170.74m，安定组平均厚度178.43m，直罗组厚度为39.85m，延安组(3煤以上)厚度为28.50m。相较于1307工作面而言，1304工作面地层垂向上宜君组厚度相对较低，但依然很厚，煤层顶板以上延安组、直罗组和安定组厚度相差较小。
基于目前已获取的水文地质参数，预计1304工作面涌水量：正常涌水量预计为303.84m3/h；最大涌水量预计为550m3/h。
本发明实施例提供的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，包括以下步骤：
步骤一：根据工作面的范围、地质岩性条件以及上覆岩层的发育情况，在工作面回采前了解工作面的俯仰采情况、机巷和风巷的布置情况、有无低洼点和已有排水情况。同时根据采前评价报告对工作面涌水量进行预测，从而确定拦截泥砂临时防护系统的设计安排。
结合1304工作面高程，机巷位置高于风巷，同时机巷中设置有运输轨道和皮带等，为了保证排水的正常进行，将风巷作为主要的排水巷道，在其中设置拦截泥砂临时防护系统。如图2所示，为保证涌水顺利排出以及拦截泥砂物质，在风巷中每隔100m布置一套三级格栅过滤系统，在机巷中分别在低洼点、易突水点以及停采线附近各布置一套三级格栅过滤系统，以保证机巷不被淤堵。
如图3所示，1304工作面采用仰采方式，则回采期间产生的涌水无法自流到水仓中，反而会流到切眼位置，为保证采煤活动的正常进行，要在靠近切眼位置设置水仓、水泵，如图3所示，切眼部位的水流顺着水槽流入水仓，随后被水泵排入中央水仓；该工作面无明显低洼点。
步骤二：对三级格栅过滤系统进行设计计算，根据格栅计算公式
格栅间隙数：
格栅宽度：B＝s(n-1)+bn
通过格栅水头损失：h1＝h0k
式中：S-栅格条宽度(m)；b-栅条间隙(m)；
n-栅条间隙数(个)；Qmax-最大设计流量；
α-栅前倾角(°)；h-栅前水深(m)；
ν-过栅流速(m/s)；h0-计算水头损失(m)；
g-重力加速度(m/s2)；-阻力系数；
k-系数，格栅受堵塞时水头损失增大倍数，一般取3。
如图4所示，在计算好格栅设计数据后，对其进行安装，格栅的安装主要采用转轴原理，日常无涌水时，格栅保持平行悬置在巷道壁上，发生携泥砂涌水是，远程控制格栅开启后，栅格自巷道壁沿轴旋转至垂直巷道壁，形成闭合状态，对泥砂物质进行物理拦截过滤，拦截下来的泥砂物质临时存储在格栅旁的硐室里，等到涌水结束后，人工清淤。
步骤三：已知招贤1304工作面正常涌水量预计为303.84m3/h；最大涌水量预计为550m3/h。工作面机巷高于风巷且为仰采。如图3所示，为了更好的截留泥砂等物质，防治排水水泵堵塞，在风巷切眼附近设置5*3*2＝30m3的1号水仓，用以承接仰采时流下的水。在靠近停采线的附近设置10*3*2＝60m3的2号水仓，在二号水仓前的风巷两次分别设置一个1.5*1*2的沉淀池，用以沉降栅格过滤后的泥砂水。
如图3所示的模拟过程示意图，当1304工作面发生携泥砂涌水时，自动控制系统传感器识别到突水信号后，控制打开三级格栅过滤系统、沉淀池以及排水系统。如图4所示，栅格自煤壁沿轴旋转至垂直煤壁，形成拦截之势。水流顺着工作面和巷道依次流过60mm的粗格栅、20mm的中格栅和3mm的细格栅，也依次将大小煤块泥砂筛分开来。水流继续向前沿着水槽或水沟流动至巷道两侧的沉淀池中，沉淀池中的水进入水仓，最后水仓中的水由排水水泵向中央水泵抽排。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、了解工作面的俯仰采情况、机巷和风巷的布置情况、低洼点情况以及已有的排水情况，确定拦截泥砂临时防护系统的设计方案，拦截泥砂临时防护系统包括格栅过滤系统、沉淀池以及排水系统；
步骤二、在风巷或机巷的煤壁上布置若干格栅过滤系统用于拦截泥沙，格栅过滤系统由孔径逐渐减小的多层格栅组成，每层格栅均能够单独控制是否开启；
步骤三、根据预测的工作面的正常涌水量和最大涌水量，在风巷或机巷中规划布置沉淀池、排水系统；
步骤四、携泥砂突水发生时，立即开启格栅过滤系统，保证格栅过滤系统、沉淀池和排水系统处于工作状态；
步骤五、待涌水停止后，采用人工清理泥砂淤积物。
2.如权利要求1所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤一中，若工作面回采为俯采方式，回采期间产生的涌水则沿着排水系统中的水沟或水槽自流到远离切眼的水仓中；若工作面回采为仰采方式，则回采期间产生的涌水无法自流到水仓中，反而会流到切眼位置，为保证采煤活动的正常进行，需要在靠近切眼位置设置水仓、水泵和沉淀池。
3.如权利要求2所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤一中，若工作面存在低洼点，为保证低洼处的水及时排出，需单独在此处设置排水点；当涌水中含有大量泥砂物质，该低洼点作为沉淀池使用。
4.如权利要求3所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤二中，格栅过滤系统采用三层格栅设计，分为粗格栅、中格栅和细格栅，粗格栅拦截60mm以上的大直径物质；中格栅拦截20mm以上的物质；细格栅拦截3mm以上的物质；栅格规格的计算公式为：
格栅间隙数：
格栅宽度：B＝s(n-1)+bn
通过格栅水头损失：h1＝h0k
式中：S-栅格条宽度(m)；b-栅条间隙(m)；
n-栅条间隙数(个)；Qmax-最大设计流量；
α-栅前倾角(°)；h-栅前水深(m)；
ν-过栅流速(m/s)；h0-计算水头损失(m)；
g-重力加速度(ms2)；-阻力系数；
k-系数，格栅受堵塞时水头损失增大倍数，此处取3。
5.如权利要求1所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤二中，风巷中的格栅过滤系统需均匀的布置多组，相邻格栅过滤系统之间距离约100m，格栅过滤系统的套数取决于煤层直接顶的岩性，即根据泥岩或弱胶结砂岩含量来设置；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为60％-100％，风巷和机巷的格栅过滤系统全部开启；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为30％-60％，风巷为主要排水点，开启风巷的全部格栅过滤系统；
若直接顶泥岩或弱胶结砂岩含量为0％-30％，风巷中的格栅过滤系统间隔开启，即每200m开启一套格栅系统。
6.如权利要求1所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤二中，格栅过滤系统中各个格栅的启闭根据携泥砂涌水中含泥砂量来确定，若涌水中含泥砂量超过25‰，且含有较大块体物质时，粗、中、细格栅全部开启；若涌水含泥砂量小于25‰，且无较大块体时，只开启粗格栅和细格栅。
7.如权利要求1所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤二中，在设置格栅过滤系统的两侧巷壁上挖有2-3m3的硐室，作为格栅拦截泥砂的暂时存储位置。
格栅过滤系统中的格栅以对开门的形式安装在两侧煤壁上，正常状态下，两侧的格栅与煤壁平行且呈开门状态，当发生携泥砂水时，格栅在控制中心的命令下，其转轴通过电机带动，格栅呈关门闭合状态拦截煤块泥砂物质。
8.如权利要求1所述的一种煤矿井下携泥砂涌水综合治理方法，其特征在于，步骤三中，涌水杂质多，需要在水仓通道里采用平行于大巷的方式布置沉淀池，先将矿井涌水进行一次沉淀；
其中沉淀池长度取5m，断面尺寸宽×高＝1.2m×1m，在通道两侧各布置一个，每个沉淀池配有闸板，闸板由控制中心控制开启，两个沉淀池轮换使用、清理，在大涌水时两个沉淀池同时使用，沉淀池平行于大巷布置。
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- 2022-12-14 CN CN202211607157.1A patent/CN116104567B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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