井下采空区积水高效疏放与排水系统优化设计

前言

随着煤矿生产的不断深入和规模的不断增大，煤矿采空区的积水问题也日趋严重。采空区积水不仅会导致煤层冒顶的危险，而且还会诱发突水事故，给人民的生命财产带来巨大的损失。我国近 40% 的矿井突水事故是由采空区积水引起 。因此，研究有效抽采方法和排水系统优化是矿井安全研究的一个重点。本文从积水探测、疏放工艺和智能化排水系统三个层面，建立一套采空区积水综合整治方案，保证矿井安全生产。

一、采空区积水形成机理与探测技术

（一）积水形成机理

采空区积水的成因是多方面的，有大气降水的渗入、含水层的渗漏和井下的生产用水的积累[2]。煤矿采动破坏了岩石内部的应力平衡，引起了裂缝的发展，连通了采空区和含水系统，采空区内的密闭空间也为水的聚集提供了条件。在断裂发育的地区，水容易沿着断裂的方向运移，形成高水压的积水区，在开采活动的影响下，容易发生突水。在不同的地质条件下，采空区的积水生成速率及大小有很大的差别，在地下水丰富的地区，其积水迅速生成，反之，积水的生成速率相对缓慢。

（二）高精度探测技术应用

传统的积水检测技术存在着精度不高和成本高等缺点。钻井具有一定的盲目性，传统物探方法受到地质影响很大，很难达到预期的效果。本文采用三维地震勘探和TEM 相结合的方法进行研究[3]。瞬变电磁法是根据电磁场的基本原理，通过对水体和周边介质的电阻率差来划分出积水区域的边界。

二、高效疏放技术与工艺优化

（一）定向钻进疏放技术

为了解决常规平硐疏放效率低和覆盖面积小等缺点，引进了定向钻井工艺。利用Φ133mm 高强钻具，利用无线随钻测试系统对巷道轨迹进行实时修正，实现了采空区巷道的“多分支”构造。采用“多分支”构造的钻井方式，增大了疏放范围，达到了30m 的单孔疏放半径[4]。在钻尾处加装筛滤器，有效地降低了煤渣的堵塞，保证了管道的畅通。矿井采用此项技术，有效地减少疏放作业中的钻孔数目，大大提高疏放率，使老空区的水位迅速下降，水压减轻，突水危险减小。

（二）分段降压疏放工艺

针对高水位、高水压采空区，采用常规的一次疏采方法，容易引起围岩应力突变，增大突水危险，采取了“分段降压-疏”技术。首先，采用主钻将地下水位降低到安全临界值的 60% ，对地下水位的降速进行了严格的控制，以防止对岩体造成破坏；在水位稳定72h 后，采用分叉钻孔进行二次疏水，使水位降至煤层底板5 米以下。采用“三采”方法，疏采时间缩短到28 天，比常规开采方法降低 40% ，围岩变形控制在可接受的限度之内，无突水事故发生，有效地提高了矿井的生产效率[4]。在施工过程中，需要建立监测体系，对开挖过程中的水位、水压和岩体的变形进行实时监测，并加强对钻孔的养护和维修管理。

（三）疏放效果评估指标

构建“疏放效能-安全-经济”的立体评价指标，对疏放作业的实施效果进行综合评价。排放效率是按每小时的排放量来测量的；以水位下降率（米/天）和以围岩变形量（mm）来监控安全；经济效益的计算，以元/立方米为单位。通过对其进行优化，将其综合评价值提高 28% ，达到了效率和安全性之间的平衡[5]。在山西一煤矿的实际使用表明，采用这种方法可以有效地提高疏放率、降低单采费用、保证疏放的安全性和稳定性。在实施过程中，需要依据矿井的具体状况来确定各指标的权重，对其进行定期的评价和调整。

三、排水系统优化设计

（一）系统布局优化

在分析采空区分布特点的基础上，提出了“区域集雨+集流”的布置方式，对其进行了分析。在每一老空处设有独立的集水池，其容积按照该区 3 日最大涌水量为标准，池身为 C30 钢筋混凝土，壁厚在 300mm 以上，内壁涂以环氧树脂防腐，抗渗等级达到P8。集液池由一根 Φ200mm 的无缝管与中心泵站相连，由一根钢管焊接而成的，在界面处要进行防腐、隔热，在铺设过程中，要按照最短的路线进行，坡度要严格控制在 3‰ 之间，要在 50m 处安装一根伸缩节来应对温度的变化，从而减少水头损失。

采用CFD 数值模拟方法，研究弯道曲率、渐变管段长度等因素对管内流动特性的影响，将弯管倾角调节到 15^∘-30^∘ ，以防止出现局部涡动，提高输送效率 15% 。通过技术改造，使矿井排水系统的运行效率明显提高，降低了 20% 的水压损失，降低了管线的冲蚀，增加了矿井的使用寿命。在采区边缘设置 Φ300mm 管线接口和2 个泵的安装位，对集水区和管线进行定期维修，每个星期对集水区进行一次清扫、检查，每个月对采区的管壁厚度和防腐涂层进行一次检测，保证排水系统稳定运行。

（二）设备选型与智能控制

以 MD280-43×6 为主要泄流装置、扬程 258 米、与之匹配的 160kW 大功率防爆电动机，设计了 280m³/h 、258 米、与之配套的160kW、效率可达到 92% 的大型水泵。与之相匹配的是 ABBACS880 系列变频器，可以随着收集池水位的改变而自动调整速度，在 1.5 米以下时，会自动降低到 sohz ，在 3 米以上，则会提高到额定频率，节能率达 20% 。

采用西门子 S7-1200 可编程控制器，将可编程控制器应用于污水处理厂，将其应用于污水处理的自动化控制系统中。该系统采用了西门子 S7-1200 可编程控制器，将其安装在污水集中池水箱内，其上安装电磁流量计（准确度为 0.5 级）、压力变送器（量程 _0-2.5MPa )，还配备了振动传感器、温度传感器。提出了一种基于模糊逻辑的水泵自动调节方法，使其能够在 5 秒内自动调节水泵的工作状态。

（三）应急排水机制构建

设计了“主要-备用-紧急”三级排水支持系统，采取“三用一备”的运行方式，以保证每日的排水需要；后备系统配有两套相同的水泵，与主机构成冗余结构，采用 ATS自动切换开关，可在不超过30 秒的主系统发生故障时，自动投入工作；紧急情况下，配有 2 台 XBC-W400/10 柴油动力泵，单机扬程 100 米，容积 400m/h ，配备500L 油箱，保证停电后仍能保持超过4 个小时的排水容量。

在管线的关键点上，每 100m 布置一套压力传感器和电动闸阀，在发现管线 PLC会立刻下达关闭故障区段两边的阀门的命令，间隔时间不超过 10 秒，发出声光报警。在中心水泵房内布置紧急排水管道，与主要排水管道相连，保证了在发生局部故障的情况下，排水管道的畅通。

结论

通过研究构建一套从精确检测到智能排水相结合的采空区积水防治技术体系。采用定向钻进、分段卸压相结合的疏放工艺，有效地提高了排水效果，减少了安全隐患；通过对排水管网布置和智能化控制的优化，提高了管网运行的稳定性和安全性。

参考文献

[1]马将,靳晓明.煤矿井下采空区积水综合探放水技术研究[J].当代化工研究,2025,(07):110-112.

[2]李潇.煤矿井下综合防水技术的应用研究[J].山东煤炭科技,2020,(11):156-158.

[3] 姜 胜 . 某 煤 矿 井 下 探 放 水 的 现 场 施 工 及 措 施 分 析 [J]. 机 械 管 理 开发,2020,35(08):199-201.

[4]张栓亮.矿井水井下处理新技术及工程应用[J].内蒙古煤炭经济,2019,(07):46-47.

[5]冀明华.采煤工作面上覆采空积水调查、探测、验证方法探索[J].当代化工研究,2019,(03):110-111.