整合煤礦老空區(qū)積水特征及治理

張茂生

(山西煤炭運銷集團南河煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

2008年山西省煤炭資源整合完成后,礦井數(shù)減少至1053座,礦辦主體由2 200個減少至130余個[1],整合礦井生產(chǎn)技術(shù)能力得到極大提升,然而普遍受到老空區(qū)積水威脅。小窯老空區(qū)積水作為礦井防治水的主要整治對象,具有分布復(fù)雜、水量大等特點[2],生產(chǎn)揭露或接近時,極易發(fā)生老空積水短時間突出,造成淹井、透水事故。作為嚴重安全隱患,老空積水勘探治理得到廣泛研究,專家學(xué)者提出瞬變電磁等探測手段和疏放積水等防治方法[3],由于老空積水賦存復(fù)雜,治理手段有限,需要進一步研究。

以南河煤業(yè)3#煤層廢棄煤巷及采空區(qū)積水治理為研究對象,采用理論分析和現(xiàn)場實測結(jié)合方法,對老空積水形成因素、治理方案和疏放鉆孔設(shè)計等研究,以期解除老空積水對生產(chǎn)威脅,為類似整合礦井老空積水治理提供參考。

1 工程概況

南河煤業(yè)批準開采3#-15#煤層,現(xiàn)開采15#煤層,3#煤層已基本采空,礦井水患主要為3#煤層廢棄煤巷及采空區(qū)積水,據(jù)估算井田內(nèi)3#煤層采空區(qū)積水量約4.3169萬m3。

該礦井上組3#煤層及下組15#煤層間距較小,平均80 m,15#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度68.9 m;開采3#煤層時底板產(chǎn)生一定深度的采動破壞,為10 m～15 m,因此開采15#煤層時最大導(dǎo)水裂隙帶可以導(dǎo)通3#煤層采空區(qū)積水,3#煤層老空區(qū)的大量積水對15#煤層回采構(gòu)成了較大威脅。

2 老空區(qū)積水形成因素

通過對礦井地質(zhì)條件和整合小煤礦開采工藝特點分析,認為老空積水的形成主要有以下2個因素[4]:

一是煤炭開采引起上覆巖體的開裂、移動或垮落,形成礦井充水通道,致使地表水、雨水或上部含水層流入并以靜水的形式存在于老窯采空區(qū),同時也具有一定的動態(tài)增量,長年累月致使老空區(qū)積水量巨大但相對穩(wěn)定。此類積水是以煤層埋藏較淺、導(dǎo)水裂隙帶較發(fā)育的老空區(qū)的主要水源[2]。

二是部分老空區(qū)本身與某些充水水源具有一定的水力聯(lián)系,此類涌水量通常較小,但為動態(tài)積水,由于大部分小煤礦主要以巷采、房柱式等落后的采煤工藝為主,頂板大多未垮塌,日積月累形成了大面積的富含水性老空區(qū)。此類積水是以覆巖較厚,頂板較好的采空區(qū)及空巷的主要水源,廣泛存在于各類小煤礦老空區(qū)。

3 治理方案

3.1 治理方案的提出

根據(jù)3#煤老空區(qū)積水分布情況,提出以下采空區(qū)積水治理原則:充分利用現(xiàn)有工業(yè)場地,現(xiàn)有井筒和設(shè)施及15#煤回采系統(tǒng);保證安全生產(chǎn);系統(tǒng)合理、工程量小、見效快?；谏鲜鲈瓌t,提出3#煤層采空區(qū)積水治理的四個方案[5]:

方案一:疏水巷抽排

該方案需啟封主斜井井底密閉墻,修復(fù)利用主斜井至3號煤原井底車場間巷道,通至3#煤原井底車場,然后修復(fù)利用原3#煤層巷道,對3號煤老空積水進行抽排。

該方案分為舊巷維修和老空積水抽排兩部分。①巷道維修:采用單體柱+板梁的方式進行臨時支護,錨網(wǎng)噴支護形式進行永久支護,具體工藝及參數(shù)如圖1、圖2所示。

圖1 探水巷修復(fù)臨時支護示意圖Fig.1 Temporary support for repairing exploration roadway

②老空積水抽排:在探水巷內(nèi)見水點附近布置三臺75 kW離心泵(兩開一備用),接2趟4吋排水管路至主斜井井底水倉,利用主斜井排水系統(tǒng)直接將水排至地面。

該方案生產(chǎn)、排水系統(tǒng)簡單,施工組織方便,能夠準確定位采空區(qū)積水范圍,進行有針對性的排水,現(xiàn)場排水情況比較明了,能夠及時了解老空區(qū)積水情況;但前期巷修工程量大,耗費時間長,且因空巷密布,通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜,受排水巷內(nèi)空間及輔助運輸限制,大型排水設(shè)備布置困難,排水速度較慢。

方案二:地面鉆孔抽排

該方案利用南河煤業(yè)3#煤層埋藏較淺(為80 m～150 m)的特點,采用地面鉆探技術(shù),在地面打鉆井至老空區(qū)標高最低點,下放潛水泵,將積水從3#煤老空區(qū)直接抽排至地面,如圖3所示。

該方案排水系統(tǒng)簡單,全部為地面作業(yè),對15#煤生產(chǎn)系統(tǒng)影響小,施工進度容易掌控,排水距離短,可有效縮短排水時間,施工組織簡單,便于管理;但需準確確定采空區(qū)積水范圍,盡量少打廢井,鉆井成本較高,老空區(qū)積水及排水情況不夠直觀。

方案三:地面鉆探泄水

圖4為下組煤層鉆孔疏放水示意圖。

圖4 下組煤層鉆孔疏放水示意圖Fig.4 Water drainage with boreholes in lower coal seam

該方案是利用鉆探技術(shù)在地面鉆孔,穿透上下組煤層,將上組3#煤層老空積水泄至下組15#煤層,利用15#煤層的排水系統(tǒng)進行抽排的方法,鉆孔在不同階段采用不同直徑的鉆桿進行打孔,不同直徑的套管采用活接的方式配合止水錐控制泄水量。

該方法適用于開采下組煤層,上組煤層含有老空積水的情況,具有施工速度快,成本低,泄水量容易控制;但施工工藝復(fù)雜,需對老空積水范圍準確掌握,測量精準等特點。

方案四:下組煤層鉆孔疏放水

該方案采用ZDY-3200S型煤礦用液壓鉆機,在15#煤層合適位置施工疏放水孔,并鋪設(shè)專用4吋排水管路,疏放水孔形成后接套管直接與排水管路接通,泄下的積水通過4吋排水管路排至15#煤采區(qū)水倉,利用15#煤排水系統(tǒng)排至地面。

該方法能夠充分利用15#煤層的排水系統(tǒng),投入設(shè)備少,便于管理,施工、排水速度快的特點;但疏放水孔水頭壓力大,流量控制較難,容易對15#煤層采掘工作面及排水系統(tǒng)形成沖擊。

3.2 方案的比較及選取

對以上四個方案進行比較如表所示:

通過綜合比較,結(jié)合礦井現(xiàn)有技術(shù)力量及設(shè)備,決定采用方案四作為南河煤業(yè)3#煤層老空區(qū)積水治理方案,以求在最短時間內(nèi)解決上組3#煤層老空積水對下組15#煤層采掘施工的威脅。

表1 南河煤業(yè)3#煤層老空區(qū)積水治理方案對比Table 1 Water control comparison in No.3 coal seam in Nanhe Mine

4 老空積水防治技術(shù)措施及效果

4.1 鉆孔設(shè)計

采用在下組15#煤層鉆孔疏放上組3#煤層老空積水時必須準確確定3#煤層老空區(qū)積水范圍,根據(jù)南河煤業(yè)地質(zhì)資料,疏放水鉆孔參數(shù)如表2所示:

表2 疏水鉆孔布置方式及參數(shù)Table 2 Layout and parameters of boreholes for water drainage

采用ZDY-3200S型煤礦用液壓鉆機,鉆桿若干;探放水鉆孔孔徑為75 mm。

4.2 開孔及止水套管的技術(shù)要求

為防止鉆孔打通3#煤老空區(qū)后,積水急劇涌出而造成淹井事故,施工前必須提前安裝孔口止水套管,以控制疏放水量,止水套管安裝如圖5所示。

圖5 止水套管示意圖Fig.5 Water proof casing

止水套管安裝方法:①先采用直徑113 mm鉆頭開孔,鉆進12 m左右,退出鉆桿;②下入直徑108 mm套管,管底下至距孔底約0.2 m,外露0.2 m便于安裝閘閥;③用水泥砂漿或樹脂藥卷封閉密實孔口和套管口間的環(huán)狀空隙;④砂漿凝固后,向間隙內(nèi)注入水泥漿填實。

連接高壓閘閥及其它裝置:連接高壓閘閥、過渡節(jié)、安裝閥門、測壓表、防噴裝置。

4.3 老空積水治理實測

南河煤業(yè)于2017年2月13日至8月14日,共施工8個鉆場33個鉆孔,分別位于15107回風(fēng)順槽和15107切眼,其中見3#煤層的鉆孔25個,遇到采空區(qū)的鉆孔3個,未見3#煤層的鉆孔5個。

經(jīng)過統(tǒng)計疏放水期間礦井涌水量增加,平均為每月增加6m3/h。截止12月份涌水量減小至2m3/h。經(jīng)過分析,增加涌水量大部分為3#煤層采空區(qū)水,少量層間灰?guī)r水,初步計算上覆采空區(qū)積水30000m3,有效的解除了下組15#煤層巷道掘進過程中的透水威脅,對礦井的安全生產(chǎn)意義重大。

5 結(jié)束語

(1)老空區(qū)積水由地表水、雨水或上部含水層通過導(dǎo)水裂隙帶流入并以靜水的形式存在;老空區(qū)本身與充水水源具有水力聯(lián)系,存在形式為動態(tài)積水。

(2)提出了南河煤業(yè)3#煤層采空區(qū)積水的治理原則和4種老空積水治理方案,選擇下組煤層施工鉆孔疏放上組煤層積水方法。

(3)現(xiàn)場實施中,在下組15#煤層頂板布置疏水鉆孔,通過礦井涌水量估算有效疏排采空區(qū)積水30 000 m3,較好的緩解了老空積水對生產(chǎn)威脅。