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深部煤层开采矿井水害成因与防治技术

2024-06-04 79 上传者：管理员

摘要：为促进深部煤层开采的安全和可持续发展，对深部煤层开采矿井水防治的关键技术和措施进行探讨。在分析水害成因和矿井水质量控制重要性的基础上，对井下直流电检测法、瞬变电磁检测法和音频电穿透视检测法等矿井水害检测技术的优缺点和适用范围进行论述，并对填充开采、防水闸门、煤层底板加固注浆和奥灰疏水降压等矿井水害防治技术进行介绍。最后，强调了水质监测与分析、水处理技术、水质调控与调节等防治水质量控制措施的重要性。

关键词：
水害成因
深部开采
矿井水害
质量控制
防治水
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深部煤层开采在能源领域具有重要地位，然而矿井水害一直是该领域面临的挑战之一[1,2,3]。矿井水害的发生不仅会影响生产效率，还可能造成环境破坏和安全事故。因此，煤矿企业亟需采取有效的技术和措施来预防和控制矿井水害。为此，对深部煤层开采矿井水防治的关键技术和措施开展探讨，以期为相关实践提供有益的参考和指导。

1、深部煤层开采矿井水害成因

1.1 技术因素

在深部煤层开采中，存在一系列技术因素可能导致矿井水害[4,5,6]。首先，矿井开采过程中可能会遇到煤层底板和顶板的断裂或变形，导致矿井裂隙的形成。这些裂隙可能会与地下水体相连，导致地下水涌入矿井，形成矿井涌水。其次，煤层开采过程中，煤与瓦斯的抽采会导致煤层压力的变化，进而影响煤层中的水体流动。瓦斯抽采不当操作可能引发矿井水体迁移和涌水现象。此外，施工过程中的不合理排水和处理措施，如排水管道堵塞或排水系统失效，也可能导致矿井水害。

1.2 地质条件因素

地质条件对矿井水害起着重要影响，煤层开采区域的地下水系统是矿井水害的主要来源之一[7,8,9]。当煤层下方或周围存在高含水层时，地下水可能通过裂隙渗透至煤层中，引起矿井涌水。地下水体的压力变化、水位升高或地下水承压层的破坏等地质因素也可能引起矿井水害。此外，地质构造的活动和变形，如断层的滑动和煤与顶板之间的错动，也可能导致地下水体的运动和矿井水害的发生[10,11,12]。

2、深部煤层矿井水害检测技术

2.1 井下直流电检测法

井下直流电检测法是一种常用的深部煤层矿井水害检测技术。该方法基于电流通过地下介质的导电性差异，在井下布设电极，施加直流电场来测量地下水体的分布和流动情况。在井下直流电检测中，电极通常分为正极和负极，通过电极之间施加直流电压，测量电流的分布和流动。根据电流的变化和分布情况，可以判断地下水体的位置、流动方向和水位变化，从而预测和监测矿井水害的发生和演化趋势。井下直流电检测法具有非侵入性、高灵敏度和实时性等优点，广泛应用于深部煤层矿井水害的检测和预警。

2.2 瞬变电磁检测法

瞬变电磁检测法是一种基于电磁感应原理的煤层矿井水害检测技术。该方法利用瞬变电磁场的感应效应，通过井下发送短脉冲电流，产生瞬变电磁场，然后通过测量接收到的电磁信号来判断地下水体的存在和分布。瞬变电磁检测法可以探测到地下水体的电导率差异，从而确定水体的位置和性质。通过对电磁信号的分析和解释，可以得出地下水体的信息，包括水位、流动速度和水体与周围地质介质的关系。瞬变电磁检测法具有高精度、快速响应和大范围探测等优势，适用于复杂地质条件下的矿井水害监测。

2.3 音频电穿透视检测法

音频电穿透视检测法是一种利用声波传播特性的深部煤层矿井水害检测技术。该方法通过在井下发送声波信号，利用声波在地下介质中传播时受到水体的衰减和反射等特性，来判断地下水体的存在和分布情况。音频电穿透视检测法通过测量声波的传播速度、衰减程度和反射情况，可以确定水体的位置、厚度和性质。通过分析声波信号的特征，可以推断地下水体的水位、渗透性和与周围岩层的关系。音频电穿透视检测法具有操作简单、数据解释直观等优点，适用于水体较浅或存在地下裂隙等情况下的矿井水害检测。此外，该方法还可以与其他检测技术相结合，提高水害检测的准确性和可靠性。

3、深部煤层开采矿井水防治技术

3.1 填充开采技术

填充开采技术是一种被广泛应用于深部煤层开采水防治的有效技术。在填充开采过程中，矿井废弃物如石灰石、煤矸石等被回填到采空区域，形成坚实的填充体，以减少采空区的体积，从而有效阻止地下水的涌入。填充体具有较好的抗渗性能，能够降低地下水通过裂隙和孔隙的渗流，从而控制矿井水的涌水量。

填充开采技术的优势主要体现在以下几个方面。首先，填充体的回填可以充分利用矿井废弃物，实现煤炭资源的高效利用，促进循环经济的发展。同时，填充体的形成可以填补采空区域，稳定地下岩体结构，提高矿井的整体稳定性。其次，填充体具有一定的抗渗性能，能够有效降低地下水涌入的速度和涌水量，减轻矿井水害风险。此外，填充体还可以提供支护和隔离功能，减少矿井开采对地表环境和地下水资源的影响。

然而，填充开采技术在实际应用中也存在一些挑战和问题。例如，填充体的选择和回填工艺需要综合考虑地质条件、矿井规模和填充材料的可获得性等因素。此外，填充体的质量和稳定性对技术的有效性和长期效果至关重要，需要严格控制施工质量和监测填充体的性能。

3.2 防水闸门

防水闸门是一种常用且有效的矿井水防治设备，广泛应用于煤矿等地下工程中。该设备通常被安装在矿井的主要水流通道上，通过控制闸门的开闭来调节地下水的流动。其工作原理基于闸门的密封性能和操作的便利性，使得防水闸门成为矿井水防治的重要手段之一。

防水闸门的优势主要表现在以下几个方面。首先，防水闸门具有结构简单、操作方便的特点，可以根据需要快速开闭闸门。这使得在矿井施工、维修或进行排水作业时，能够灵活地控制地下水的流动，避免水灾事故的发生。其次，防水闸门具有较好的密封性能，能够有效阻止地下水的涌入，确保矿井的安全运行。此外，闸门的材质和设计可以根据具体需求进行选择，以适应不同水位和流量条件下的工作需求。

然而，防水闸门在应用中也存在一些挑战和注意事项。例如，闸门的材质选择和密封性能需要满足矿井环境的特殊要求，以确保长期的可靠性和耐久性。此外，闸门的操作和维护需要经过专门的培训和技能掌握，以确保安全和正确的使用。

3.3 煤层底板加固注浆

煤层底板加固注浆技术是在深部煤层开采中常用的水防治技术之一。在煤矿开采过程中，煤层底板通常存在裂隙、孔隙和松散层等问题，这些问题容易导致地下水的涌入，增加了矿井水害的风险。

该技术的原理是通过注入固化材料，如水泥、石灰和聚合物等，填充和固化煤层底板的空隙。注浆材料具有良好的渗透性和固化性能，能够渗透到煤层底板的裂隙中，并在固化后形成坚硬的基底。这样可以有效地减少地下水的渗流，阻止地下水向矿井内涌入。

煤层底板加固注浆技术的优点在于操作简便、成本较低且效果明显。它能够有效地加固煤层底板，减少地下水的渗透和涌入，降低矿井水害的风险。此外，注浆材料的选择和配比可以根据实际情况进行调整，以满足不同煤层底板的特性和要求。

3.4 奥灰疏水降压技术

奥灰疏水降压技术是一种在深部煤层开采中广泛应用的矿井水防治技术。该技术利用奥灰疏水降压原理，通过注入奥灰溶液或聚合物溶液到煤层中，改变煤层孔隙结构和水的渗透性，从而降低煤层中的水压力，控制和减少水的涌入。奥灰疏水降压技术的应用过程相对简便，首先进行试验和数据分析，以确定合适的奥灰或聚合物注入浓度和注入方式。随后，利用井下注浆设备将奥灰溶液或聚合物溶液注入煤层，通过孔隙和裂隙的渗透作用，改变煤层内水的渗透性能，从而实现降低水压的效果。奥灰疏水降压技术的优点在于其显著的效果和操作的简便性。通过降低煤层中的水压力，可以有效地控制煤层水的涌入，降低矿井水害的风险。此外，选择合适的奥灰或聚合物材料以及合理的注入浓度，可以进一步提高技术的效果和稳定性。

4、深部煤层开采矿井防治水质量控制措施

4.1 水质监测与分析

为了确保矿井水的安全和合格，需要进行水质监测与分析。这包括定期采集水样，进行水质参数的测定和分析，如pH、浊度、溶解氧、总硬度、重金属含量等。通过监测和分析，可以及时发现水质异常情况，并采取相应的措施进行调整和处理。

4.2 水处理技术

在矿井水处理中，常见的技术包括物理处理、化学处理和生物处理等方法，它们可以针对不同的水质问题进行处理和改善。物理处理是通过过滤、沉淀和吸附等方式来去除矿井水中的悬浮物和颗粒物。过滤是利用滤材对水中的固体颗粒进行截留，常用的过滤材料包括砂石、活性炭等。沉淀是利用重力作用使悬浮物沉降到底部，常用的沉淀剂有铁盐、铝盐等。吸附则是利用吸附剂活性炭等吸附水中的有机物、重金属等有害物质。化学处理主要涉及调整矿井水的酸碱度和添加适量的化学剂以去除有害物质。通过调节酸碱度，可以改变水中离子的形态和溶解度，从而促使有害物质的沉淀和去除。化学剂的添加则可以与水中的污染物发生化学反应，使其发生沉淀或转化为无害物质。常用的化学处理剂包括聚合氯化铝、硫酸铁等。生物处理是利用生物过程去除矿井水中的有机物和微生物。常见的生物处理方法包括生物滤池、活性污泥法等。生物滤池利用生物膜或生物颗粒来降解有机物，使其转化为二氧化碳和水。活性污泥法则通过在氧气的作用下利用污水中的微生物去除有机物。

4.3 水质调控与调节

首先，调整水的pH是水质调控的重要方面之一。通过添加酸性或碱性物质，可以调节水的酸碱度，使其处于适宜的范围。适当的pH有助于控制水中金属离子的溶解度，避免金属沉淀或腐蚀的问题。控制水的硬度也是水质调控的关键。硬度主要由水中的钙、镁离子所引起，高硬度水会导致水垢的形成，对设备和管道造成损害。因此，可以采用软化水等方法来降低水中的硬度，防止水垢的产生。此外，为了预防微生物的滋生和繁殖，添加抗菌剂是一种常见的水质调节措施。抗菌剂能够有效地抑制微生物的生长，减少水中的微生物污染，从而保持矿井水的卫生和清洁。另外，为了减少管道和设备的腐蚀，可以添加缓蚀剂来形成保护膜。缓蚀剂能够与金属表面发生反应，形成一层保护膜，降低金属的腐蚀速率，延长设备和管道的使用寿命。

5、结语

深部煤层开采矿井水防治是确保煤矿安全和环境保护的关键任务。通过深入研究水害成因和监测技术，以及采取填充开采、防水闸门、底板加固和奥灰疏水降压等防治措施，可以有效降低矿井水害的风险。同时，水质量控制措施如水质监测与分析、水处理技术和废水循环利用也起着重要作用。煤矿企业应加强技术创新和管理措施，确保矿井开采的安全、高效和可持续发展。

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