煤礦開采防治水方案的設(shè)計(jì)

王躍東

(山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

煤炭作為我國(guó)的支柱能源，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有絕對(duì)的推動(dòng)作用。據(jù)研究表明，煤炭依然在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。一直以來(lái)，煤炭安全生產(chǎn)問題備受關(guān)注，制約煤炭安全生產(chǎn)的因素主要包括：綜采設(shè)備的安全性、工作面瓦斯?jié)舛取⒐ぷ髅嬷ёo(hù)以及煤層防治水等。鑒于我國(guó)煤層地質(zhì)、水文條件的復(fù)雜性，使煤炭在開采過(guò)程中受到了多種水體的威脅[1]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，工作面由于突水事故所造成人員及經(jīng)濟(jì)損失位于各類因素所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。因此，需根據(jù)煤層地質(zhì)、水文等情況為其設(shè)計(jì)有效的防治水方案，為綜采工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工程概述

本文以某C礦為研究對(duì)象，XX礦西部下組煤回風(fēng)巷所掘3#煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中，3#煤上分層厚度4.49 m～7.17 m，平均5.65 m；煤層上部夾石為0.10 m～4.3 m，平均2.5 m左右頁(yè)巖。3#煤層巷道的寬度為4 m。下分層煤層厚度2.40 m～3.50 m，平均2.95 m，下部夾0.2 m左右的頁(yè)巖或炭質(zhì)頁(yè)巖，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。

根據(jù)西部下組煤膠輪車巷瓦斯涌出量資料預(yù)測(cè)該工作面掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min。工作面所屬采區(qū)及開采煤層無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，無(wú)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性，爆炸性指數(shù)為15.38%，自燃傾向性為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層。地溫為8 ℃～9 ℃。工作面局部壓力較大。

該工作面煤層頂板和底板情況如表1所示。

表1 工作面煤層頂板、底板情況

通過(guò)對(duì)該巷道的礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)得出：該巷道垂直方向的應(yīng)力平均值為6.71 MPa，水平方向的應(yīng)力平均值為7.47 MPa。

2 煤層開采防治水技術(shù)

該工作面的開采深度較大，且工作面煤層底板所承受的奧灰水壓較高，在實(shí)際開采過(guò)程中較大的突水風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前應(yīng)用于工作面防治水的技術(shù)主要包括綜合物探技術(shù)、奧灰疏水降壓技術(shù)、充填開采技術(shù)以及底板注漿加固技術(shù)[2]。

2.1 綜合物探技術(shù)

綜合物探技術(shù)包括有瞬變電磁方法、音頻電穿透視法、直流電法以及電磁波坑透法[3]。其中，瞬變電磁探測(cè)原理圖如第81頁(yè)圖1所示。

基于瞬變電磁探測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巷道及工作面的超前探測(cè)，大大提升對(duì)工作面的探測(cè)范圍及探測(cè)效率，所以，其為當(dāng)前應(yīng)用于工作面防治水探測(cè)的主流技術(shù)。音頻電穿透視法主要應(yīng)用于對(duì)底板、頂板富水范圍的及注漿防治水效果的探測(cè)。井下直流電法主要應(yīng)用關(guān)于對(duì)工作面電性分層和水文地質(zhì)的研究。

圖1 瞬變電磁探測(cè)原理

2.2 奧灰疏水降壓技術(shù)

基于奧灰疏水降壓技術(shù)在工作面及其周邊開一定水量的放水孔，通過(guò)放水操作將工作面的奧灰水位降至安全水位以下。但是，奧灰水直接排除會(huì)污染地表水，因此采用此技術(shù)時(shí)常需要對(duì)所排出的水進(jìn)行處理。因此，奧灰疏水降壓技術(shù)一般不被采用。

2.3 煤層底板注漿加固技術(shù)

煤層底板注漿加固技術(shù)是在開采之前向底板注漿，使得底板巖層中的縫隙被填充，從而提升煤層底板的隔水效果。目前，底板注漿加固技術(shù)已經(jīng)在很多煤礦中應(yīng)用，并取得了良好的防治水效果和經(jīng)濟(jì)效益[4]。此外，應(yīng)確保底板注漿技術(shù)的切實(shí)可行，需根據(jù)煤礦地質(zhì)水文條件確定加固深度和層位。

3 防治水方案設(shè)計(jì)

3.1 巷道掘進(jìn)防治水方案設(shè)計(jì)

為了避免煤礦巷道掘進(jìn)期間工作面的導(dǎo)水構(gòu)造和其他水體造成突水事故，在巷道掘進(jìn)前需對(duì)倒水構(gòu)造進(jìn)行探查，且探查的結(jié)構(gòu)為防止水工作的重點(diǎn)[4]。該階段的防治水工作的流程如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)階段防治水方案

如圖2所示，掘進(jìn)期間防治水方案遵循先物探、后鉆探驗(yàn)證的原則，并對(duì)發(fā)現(xiàn)異常的部位采用超前預(yù)注漿處理的措施進(jìn)行防治水操作。其中，鉆探驗(yàn)證為掘進(jìn)期間的關(guān)鍵動(dòng)作，該階段的鉆孔數(shù)量一般不少于兩個(gè)，且每個(gè)鉆孔的傾角應(yīng)維持在-10°～-20°之間，每個(gè)鉆孔的探測(cè)距離不少于30 m。

此階段防治水方案主要是對(duì)孔口止水套管以及超前距等參數(shù)的確定。針對(duì)孔口之水套管長(zhǎng)度，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》要求止水套管長(zhǎng)度不得少于20 m；針對(duì)超前距的計(jì)算依據(jù)式(1)確定：

(1)

式中：H為超前距；k為安全系數(shù)，取k=5；L為煤層巷道的寬度，取L=4 m；P為工作面煤層所承受的水壓，取P=7.5 MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，取=0.46 MPa。

經(jīng)計(jì)算得：H=26.45 m，圓整為27 m。

3.2 工作面開采防治水方案設(shè)計(jì)

工作面開采防治水方案包含有開采前和開采中防治水方案的設(shè)計(jì)。

3.2.1 工作面開采前防治水方案

待工作面掘進(jìn)完成后，需依據(jù)圖3防治水工作流程對(duì)開采前工作面進(jìn)行防治水操作。

圖3 工作面開采前防治水方案

如圖3所示，工作面開采前采用坑透、直流電法和瞬變電磁等綜合物探手段對(duì)其隱伏構(gòu)造、富水異常區(qū)域進(jìn)行探查，采用鉆探手段對(duì)探查結(jié)果進(jìn)行判斷，若存在異常則采用注漿加固的手段進(jìn)行加固，并對(duì)加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

3.2.2 工作面開采中防治水方案

本節(jié)主要對(duì)煤層開采時(shí)鉆探驗(yàn)證階段的安全套管和鉆機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。所選安全套管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 安全套管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)煤層特點(diǎn)所選用的鉆機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機(jī)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭安全生產(chǎn)直接決定煤礦的產(chǎn)煤效率和作業(yè)人員的安全性。對(duì)于綜采設(shè)備的安全性而言，可通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及控制策略實(shí)現(xiàn)；對(duì)于工作面瓦斯?jié)舛榷?，可通過(guò)增設(shè)瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備及優(yōu)化通風(fēng)策略實(shí)現(xiàn)；對(duì)于突水事故而言，需根據(jù)煤層地質(zhì)水文特點(diǎn)設(shè)計(jì)基于先物探后鉆探驗(yàn)證并配合注漿加固的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層工作面的防治水工作。