傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水治理系統(tǒng)研究及應(yīng)用

高運增，段紅民

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

綜采工作面采空區(qū)涌水是礦井水的主要來源之一。一般走向長壁綜采工作面排水系統(tǒng)相對較為簡單，相關(guān)學(xué)者從堵水施工、排水工程、排水設(shè)備等方面進(jìn)行的研究也比較多。如袁向濤[1]等采用工作面、運輸巷增設(shè)水泵及排水管路、軌道巷挖設(shè)水溝及水倉等排水綜合措施，同時，優(yōu)化注漿加固工藝，保證了工作面安全正?；夭?；邢金嶺[2]對復(fù)雜地質(zhì)條件下綜采工作面的排水方案進(jìn)行了分析，對供電系統(tǒng)的設(shè)計及水倉位置的選擇、排水設(shè)備及排水管道的設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對井下老塘水加以綜合利用，為井下涌水的防治與利用提供了一套完整的方案；孫家于[3]等通過“引濾、沉淀、放水孔捷徑放水”等方式對綜采工作面排水進(jìn)行了優(yōu)化。

截至目前，針對近水平煤層傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水的治理、特別是針對近水平超長工作面中部積水如何排出的研究較少。傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水通常會積聚在工作面低洼處，大量積水混入采落的煤炭中形成水煤[4-8]。水煤進(jìn)入運輸系統(tǒng)后，當(dāng)帶式輸送機有較小坡度時容易造成撒煤，影響文明生產(chǎn)形象；當(dāng)帶式輸送機坡度較大時，比如進(jìn)入上山皮帶，很容易產(chǎn)生大范圍下滑、埋沒帶式輸送機和巷道，造成機械事故甚至人員傷亡事故[9-13]。

為解決上述問題，通過反復(fù)試驗，賽蒙特爾煤礦研究并應(yīng)用了一套傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水治理系統(tǒng)，較好地解決了水煤問題，確保了礦井的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

賽蒙特爾煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力500萬t/a。礦井主采4-2煤層，平均煤厚4.38m，埋藏深度180～220m，為一向西南傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角1°～3°，皺曲和斷層均不發(fā)育，具有寬緩的波狀起伏，無巖漿活動，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

井田內(nèi)沒有基巖出露，全部被第四系風(fēng)積砂與黃土覆蓋，據(jù)鉆孔揭露資料，區(qū)內(nèi)地層由老到新有：三迭系上統(tǒng)延長組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組和第四系全新統(tǒng)。

礦井采用斜井開拓方式：主斜井傾角16°，斜長521m；副斜井傾角6°，斜長1528m；回風(fēng)斜井傾角25°，斜長331m。

礦井首采工作面位于一盤區(qū)、井底車場附近，沿傾斜方向布置，工作面長240m，推進(jìn)長度為2115m。工作面總體趨勢為“仰采”，終采線較切眼約高12.4m，大部分區(qū)域主運輸巷道(上部巷道)高于回風(fēng)巷道(下部巷道)。

首采工作面老頂初次來壓后采空區(qū)開始涌水。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)涌水量從最初的約150m3/h迅速增大到1000m3/h。采空區(qū)涌水緊跟采煤工作面，大量水混入煤流形成水煤，導(dǎo)致主斜井帶式輸送機、地面原煤倉上倉帶式輸送機多次發(fā)生水煤大范圍下滑、淹埋機尾和巷道事故，給人員安全和設(shè)備管理帶來很大隱患。

2 采空區(qū)涌水對生產(chǎn)的影響分析

2.1 采空區(qū)涌水來源分析

采空區(qū)涌水是由于綜采工作面采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，隨著綜采面的推進(jìn)，采空區(qū)直接頂和老頂周期性垮落，采空區(qū)上部依次形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。當(dāng)垮落帶或裂隙帶溝通了煤層上部含水層時，含水層中的水便會進(jìn)入采空區(qū)，形成采空區(qū)涌水。因此，采空區(qū)出水點往往距離綜采工作面會有一定距離。

2.2 工作面內(nèi)積水對生產(chǎn)的影響

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，如果綜采工作面內(nèi)積水較淺，開始生產(chǎn)后，煤炭和積水混合，煤多水少，不會形成水煤，對礦井安全生產(chǎn)影響較小。如果綜采工作面內(nèi)積水較深，開始生產(chǎn)初期煤量相對較小，煤炭和積水混合，水多煤少，會形成水煤。水煤進(jìn)入運輸系統(tǒng)后，當(dāng)帶式輸送機有較小坡度時容易造成撒煤，影響文明生產(chǎn)形象；當(dāng)帶式輸送機坡度較大時，容易產(chǎn)生大范圍下滑、埋沒帶式輸送機和巷道，造成機械事故甚至人員傷亡事故。

2.3 與走向長壁工作面采空區(qū)涌水影響的比較

走向長壁綜采工作面一般沿工作面方向有一定的傾斜角度，煤層上部含水層中的水進(jìn)入采空區(qū)后往往在采空區(qū)內(nèi)順坡度流到工作面下端頭、從下部巷道流出，一般不會涌入工作面進(jìn)入煤流；即使受采空區(qū)矸石影響少量涌水進(jìn)入綜采工作面內(nèi)也無法在工作面內(nèi)存留，會沿著刮板輸送機與液壓支架間的通道順坡度流入下部巷道，對生產(chǎn)系統(tǒng)影響較小。通過采空區(qū)矸石的過濾，從下端頭流出的水一般比較清澈，有利于通過水泵外排。

在近水平煤層中，傾斜長壁綜采工作面沿工作面方向傾角較小，一般難以形成自然流水坡度，煤層上部含水層中的水進(jìn)入采空區(qū)后很容易涌到工作面內(nèi)，特別是有時工作面中部會出現(xiàn)低洼地段，更容易造成采空區(qū)涌水在工作面內(nèi)積聚。

3 綜采工作面積水治理策略

針對綜采工作面涌水的治理一般采取以下策略：“堵”：在液壓支架中間填充沙袋，阻斷采空區(qū)涌水進(jìn)入工作面的途徑；“疏”：在液壓支架和刮板輸送機之間的底板上疏通導(dǎo)水溝，將水疏導(dǎo)至下部巷道；“排”：在下部巷道內(nèi)施工水泵坑、安裝排水泵，將采空區(qū)涌水排出。

上述措施對于走向長壁綜采工作面較為實用，可以充分利用煤層底板傾角實現(xiàn)工作面中部涌水的疏導(dǎo)。而對于傾斜長壁綜采工作面來說，沿工作面方向不易形成自然流水坡度、甚至工作面中部有可能形成較大低洼區(qū)，很難通過“堵、疏”等措施將工作面中部的采空區(qū)涌水疏導(dǎo)至下部巷道。由于工作面中部液壓支架和刮板輸送機之間空間較小，且在工作面不斷推進(jìn)，難以施工較規(guī)范的水泵坑排水；如將排水泵直接放在底板上，則排水效果較差，不能有效杜絕水煤現(xiàn)象發(fā)生，且多個水泵和管路吊掛在液壓支架和刮板輸送機之間對工作面的生產(chǎn)組織也會造成一定影響。

4 傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水治理系統(tǒng)

該治理系統(tǒng)綜合考慮了工作面內(nèi)積水如何導(dǎo)出、下部巷道積水如何排出和水流裹挾的煤泥如何處理等問題。

4.1 綜采工作面內(nèi)積水的導(dǎo)出

根據(jù)現(xiàn)場觀察，刮板輸送機在工作時其下槽可成為良好的導(dǎo)水通道，大量采空區(qū)涌水在下刮板的作用下通過刮板機下槽流到刮板運輸機尾部，但由于刮板輸送機尾部的驅(qū)動輪箱體設(shè)計是封閉的，涌水無法排出、在刮板的作用下進(jìn)入上槽、混入煤流。

為解決該問題，通過多次試驗，將原刮板輸送機尾部的驅(qū)動輪箱體端頭護(hù)罩進(jìn)行了改造：將原封閉型端蓋更換為類似柵欄的護(hù)板，便于刮板輸送機下槽的水流出、不再進(jìn)入上槽。同時，在生產(chǎn)組織方面，要求綜采隊檢修班結(jié)束、生產(chǎn)班生產(chǎn)前，先啟動運輸機導(dǎo)水，只有當(dāng)工作面積水低于刮板輸送機溜槽中板時方可啟動采煤機生產(chǎn)。

通過上述措施，綜采工作面中部的積水和采空區(qū)涌水得到及時導(dǎo)出，從而消除了水煤產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

4.2 下部巷道積水的排出

由于煤層近水平，其傾角僅為1°～3°，受局部底板變化影響，傾斜長壁綜采工作面在推進(jìn)過程中有時為“俯采”、有時為“仰采”。當(dāng)工作面為“俯采”時，只需在下部巷道非采幫施工導(dǎo)水溝、適當(dāng)位置施工水倉即可將進(jìn)入下部巷道的采空區(qū)涌水排出。當(dāng)工作面為“仰采”時，下部巷道內(nèi)積水難以形成自流，又因工作面在不斷推進(jìn)，刮板輸送機尾附近無法施工正規(guī)的水倉，即使安裝排水泵排水效果也難以達(dá)到要求。并且受煤泥影響，如將水泵安裝在刮板輸送機尾，很容易造成水泵損壞。

如機尾積水較深，大量積水會進(jìn)入刮板輸送機導(dǎo)致水煤現(xiàn)象發(fā)生，因此，必須設(shè)法將刮板輸送機尾附近的水導(dǎo)出一定距離，并施工正規(guī)的水倉，再安裝水泵以實現(xiàn)積水的外排。

針對“仰采”時存在的問題，通過多次試驗，總結(jié)出以下導(dǎo)水系統(tǒng)：每間隔一段距離，在回風(fēng)巷道局部靠近坡頂?shù)奈恢檬┕に畟}，水倉之間利用水溝連接，每經(jīng)過一水倉后水溝底板抬高一定高度，兩水倉之間的水溝保證3‰的向外流水坡度、水倉底板低于其進(jìn)水側(cè)導(dǎo)水溝底約500mm，形成了階梯式抬升水溝底板和水倉系統(tǒng)，如圖1所示。該導(dǎo)水系統(tǒng)具體組織實施如下：

圖1 回風(fēng)巷道水溝和水倉施工圖(mm)

1)在回風(fēng)巷道非采幫側(cè)靠近綜采工作面附近一局部低洼處、巷道底板以上1m處設(shè)一標(biāo)志點，利用全站儀向兩側(cè)每間隔10m做一標(biāo)記點，往工作面方向每個標(biāo)志點較前一標(biāo)志點抬高3cm，至工作面為止；往終采線每標(biāo)志點較前一標(biāo)志點降低3cm，至標(biāo)志點距巷道底板約0.3m為止。以標(biāo)志點為基準(zhǔn)，標(biāo)志點以下2m為水溝底，施工寬度不小于0.6m的水溝。

2)在上述最后一個標(biāo)志點附近施工水倉，要求水倉沿巷道方向長4m，深入巷道幫煤壁3m，巷道底板以上2m，水倉底板低于其進(jìn)水水溝底板不小于0.5m。

3)經(jīng)過水倉后將前一標(biāo)志點標(biāo)高抬高1m，向停采線方向每間隔10m做一標(biāo)志點，每標(biāo)志點較前一標(biāo)志點降低3cm，至標(biāo)志點距巷道底板約0.3m為止。以標(biāo)志點為基準(zhǔn)，標(biāo)志點以下2m為水溝底，施工寬度不小于0.6m的導(dǎo)水溝。

4)重復(fù)上述(2)、(3)項，即可完成導(dǎo)水系統(tǒng)施工。

該導(dǎo)水系統(tǒng)利用水溝將刮板輸送機尾附近水導(dǎo)出一定距離、進(jìn)入水倉，在水倉內(nèi)安裝多臺潛水泵或?qū)⒄婵斩嗉壉梦堫^放入導(dǎo)水溝(水倉)內(nèi)，利用排水管將水排至盤區(qū)輔助運輸大巷，通過輔助運輸大巷水溝流入中央水倉。從而有效地解決了“仰采”情況下刮板輸送機尾積水外排難的問題。

4.3 煤泥的處理

對刮板輸送機尾端頭護(hù)罩進(jìn)行改造后，工作面內(nèi)采空區(qū)涌水得以順利導(dǎo)到下部巷道的同時，大量煤泥伴隨積水進(jìn)入下部巷道，造成下部巷道和水溝內(nèi)煤泥淤積嚴(yán)重，如不采取措施必將影響積水的排出。

為解決煤泥淤積問題，保證順利排出積水，經(jīng)過現(xiàn)場試驗、不斷改進(jìn)，最終形成了較成熟的煤泥攔截過濾方案，如圖2所示。

圖2 回風(fēng)巷道擋煤網(wǎng)安裝圖

1)在下部巷道內(nèi)距工作面不小于10m位置和水溝邊緣增加煤泥過濾網(wǎng)，將從工作面和采空區(qū)隨水流進(jìn)入下部巷道的煤泥進(jìn)行阻擋和過濾。

2)在水溝內(nèi)增加多重過濾網(wǎng)，將進(jìn)入水溝的煤泥層層攔截、過濾。

3)在潛水泵和真空多級泵吸水龍頭四周加設(shè)過濾網(wǎng)，再次過濾煤泥。

4)當(dāng)巷道內(nèi)煤泥堆積到一定高度后，利用防爆裝載機將其清理到工作面刮板輸送機內(nèi)；每班安排專人清挖水溝和水倉內(nèi)煤泥。

過濾網(wǎng)尺寸：下部巷道內(nèi)擋煤網(wǎng)規(guī)格為：長×高=1.6m×0.5m；水溝內(nèi)的擋煤網(wǎng)根據(jù)水溝寬度及深度確定尺寸。

為保證整體強度，擋煤網(wǎng)骨架采用40mm×40mm×3mm的角鐵焊接，鋼絲網(wǎng)孔規(guī)格3mm×3mm，鋼絲網(wǎng)與骨架利用綁絲綁扎結(jié)實。

回風(fēng)巷道內(nèi)擋煤網(wǎng)以超前支護(hù)的單體液壓支柱為支撐，通過14#鐵絲固定在單體上，隨超前支護(hù)單體的前移而前移；水溝內(nèi)擋煤網(wǎng)通過混泥土或木楔固定。

通過對煤泥的層層過濾，下部巷的積水順利導(dǎo)出，并且提高了排水泵排水效率，延長了排水泵使用壽命，確保了工作排水系統(tǒng)的持續(xù)、正常運轉(zhuǎn)，有效地保證了礦井安全順利生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

本文介紹了一套適用于近水平煤層傾斜長壁綜采工作面采空區(qū)涌水治理的系統(tǒng)。通過將刮板輸送機尾端頭護(hù)板進(jìn)行改造，使刮板輸送機實現(xiàn)了導(dǎo)水功能；在下部巷道施工水溝、水倉，實現(xiàn)了“仰采”工作面刮板輸送機尾附近積水的導(dǎo)出；利用過濾網(wǎng)將煤泥層層過濾，保障采空區(qū)涌水治理系統(tǒng)的持續(xù)、正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了礦井安全順利生產(chǎn)。