下煤層探放水巷道布置及探放水技術(shù)研究

（山西潞陽(yáng)煤炭投資經(jīng)營(yíng)管理有限公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

長(zhǎng)榆河煤業(yè)位于山西省晉中市壽陽(yáng)縣北27 km處。井田面積6.56 km2，產(chǎn)能0.9 Mt/a，批準(zhǔn)開采6、8、9、12、15上、15下號(hào)煤。礦井采用下行式開采方法，井田東部15上號(hào)煤層已回采結(jié)束，15上號(hào)煤層平均煤厚2.71m，15下號(hào)煤層平均煤厚2.65m，兩個(gè)煤層的層間距0.50～10.60m，平均4.34m，屬近距離煤層。由于15上號(hào)煤層長(zhǎng)時(shí)間開采所形成的采空區(qū)有大量積水，對(duì)下方近距離的15下號(hào)煤層回采存在重大水害隱患；此外15上號(hào)煤層開采時(shí)所留設(shè)的煤柱對(duì)下方近距離的15下號(hào)煤層回采工作面頂板具有應(yīng)力集中作用[1-2]。綜上所述，15下號(hào)煤層探放水巷道的合理布置是制約礦井安全高效生產(chǎn)的因素。

1 井田東部積水情況

在長(zhǎng)榆河煤業(yè)井田東部存在3個(gè)大采空區(qū)積水區(qū)域，分別命名為東北部積水區(qū)、中部積水區(qū)和南部積水區(qū)。積水區(qū)統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 井田東部積水區(qū)統(tǒng)計(jì)情況

結(jié)合井田東部的15上號(hào)煤層和15下號(hào)煤層底板等高線，在東北部積水區(qū)15下號(hào)煤層底板水平標(biāo)高最低，為+970水平，積水量最多。因此，該區(qū)域?qū)?5下號(hào)煤層開采是最大的水害隱患。綜上因素分析，先行在東北部積水區(qū)施工探放水巷道對(duì)于保證礦井正常安全生產(chǎn)具有重要意義。

圖1 井田東部積水區(qū)范圍

2 探放水巷道布置總體分析

圖2 井田東部15上、15下號(hào)煤層剖面

2.1 探放水巷道布置方式

基于以往對(duì)巷道錯(cuò)距布置相關(guān)研究成果，對(duì)于探放水巷道的布置通常有內(nèi)錯(cuò)、外錯(cuò)、重疊三種布置方式[3-4]。

（1）內(nèi)錯(cuò)布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號(hào)煤層15101工作面采空區(qū)下方應(yīng)力下降區(qū)域之中。當(dāng)采用內(nèi)錯(cuò)布置方式時(shí)，探放水巷道所承受上方采空區(qū)采動(dòng)影響后的作用較小，然而同架空人車大巷之間所要留設(shè)煤柱寬度約50～60m，將會(huì)造成煤炭資源損失，且布置于15101工作面采空區(qū)積水區(qū)下方也會(huì)受到積水影響。

（2）外錯(cuò)布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號(hào)煤層15101工作面采空區(qū)正下方之外的區(qū)域。此時(shí)同架空人車大巷之間所要留設(shè)煤柱寬度較小，有利于煤炭資源的回收，且所受15101工作面采空區(qū)積水區(qū)影響較小，有利于探放水期間的安全作業(yè)，但是圍巖支護(hù)控制較為困難。

（3）重疊布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號(hào)煤層15101工作面進(jìn)風(fēng)順槽下方，此時(shí)圍巖控制支護(hù)水平兼具內(nèi)錯(cuò)和外錯(cuò)兩個(gè)布置方式的優(yōu)、缺點(diǎn)，并同樣受到15101工作面采空區(qū)積水區(qū)的影響。

綜合上述分析，該探放水巷道還可以利用為15下101工作面的順槽，采用外錯(cuò)布置方式，不僅有利于探放水期間的安全作業(yè)，也有利于15下號(hào)煤層回采時(shí)的煤炭資源回收?；陂L(zhǎng)榆河煤業(yè)井田東部現(xiàn)場(chǎng)開采情況，剖面見圖2，在水平方向上，布置于15下號(hào)煤層的架空人車大巷，同其上方15上號(hào)煤層的15101工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)順槽之間的水平距離為42 m。

2.2 探放水巷道外錯(cuò)距計(jì)算

基于前人理論研究成果可知，作用于煤柱底板上同一水平截面不同深度上，煤柱應(yīng)力分布不均衡與煤柱之間距離有密切關(guān)系。應(yīng)力分布不均衡程度隨著與煤柱距離的增大而減小，越遠(yuǎn)離煤柱、距離越大，其整體穩(wěn)定性狀態(tài)也就越好。因此，需要將探放水巷道布置在應(yīng)力分布較小的位置，以利于巷道圍巖控制和支護(hù)。通?？梢圆捎酶淖兟蔏來表示應(yīng)力分布不均衡的程度[5]。

式中：σ（x）為應(yīng)力作用于煤柱底板同一水平截面上的分布函數(shù)；x為水平方向上選取點(diǎn)與煤柱采空區(qū)一側(cè)之間的距離。

上述公式經(jīng)分析，可以得出，改變率K越小，作用于煤柱底板上同一水平截面上該點(diǎn)的不均衡程度越低。依據(jù)求改變率K的極值Kmin能夠求解出各個(gè)應(yīng)力改變率極值所在位置，以此得出受煤柱集中應(yīng)力影響情況下的不均衡分布范圍Ssx[6]。

式中：Ssx為受煤柱集中應(yīng)力影響情況下的不均衡分布范圍，m；L為留設(shè)煤柱寬度大小，m。

基于上述分析結(jié)果，煤柱留設(shè)寬度同探放水巷外錯(cuò)距離之間關(guān)系見表1。

表1 煤柱留設(shè)寬度同探放水巷外錯(cuò)距離之間關(guān)系統(tǒng)計(jì)

并且探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平距離Skx可以通過以下公式計(jì)算[7]。

式中：Skx為探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平距離，m；hr為15上號(hào)煤層與15下號(hào)煤層之間的層間距，m；m為下方15下號(hào)煤層的煤厚，m；β為下方15下號(hào)煤層的傾角，°；δ為煤柱集中應(yīng)力影響傳遞角，°。

15上號(hào)煤層與15下號(hào)煤層之間的層間距平均4.34m，15下號(hào)煤層平均煤厚2.65m，平均傾角5°。根據(jù)以往研究成果，煤柱集中應(yīng)力影響傳遞角取值在18.13°～48.49°。將以上參數(shù)代入式（3），得出探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平距離在2.23～7.21m，即可位于煤柱應(yīng)力減小區(qū)域。

綜合考慮探放水巷道需要對(duì)15101工作面采空區(qū)積水進(jìn)行探放水，后期還要利用其作為15下101工作面的順槽使用。為減小動(dòng)壓影響，保證巷道支護(hù)效果，上述計(jì)算結(jié)果取安全系1.3，即探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平距離在2.89～9.37 m。

合理外錯(cuò)距離取上述計(jì)算結(jié)果最大值9.37m，本次設(shè)計(jì)探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平外錯(cuò)距離最終取10 m。

2.3 探放水巷道與架空人車大巷煤柱防水效果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側(cè)邊緣水平外錯(cuò)距離設(shè)計(jì)為10m，探放水巷道寬度為4m，探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱寬度則為28 m。因如前所述探放水巷道上方15101工作面采空區(qū)積水范圍及積水量較大，加之目前已經(jīng)探明15下號(hào)煤層含水量也很大，因此必須對(duì)探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱防水效果進(jìn)行分析驗(yàn)證，以保證煤柱可以起到有效阻隔積水，保障井下安全生產(chǎn)的作用。

（1）煤柱隔水效果分析

本次研究不將煤體各個(gè)方向上的差異，且實(shí)際上煤體的不均勻、不連續(xù)等性質(zhì)納入研究范疇，因此該隔水煤柱在上覆圍巖載荷影響下，煤柱內(nèi)自探放水巷道到架空人車大巷可以分成塑性屈服區(qū)和彈性核區(qū)兩個(gè)區(qū)域。其中，塑性屈服區(qū)是煤柱內(nèi)部靠回采工作面一側(cè)的區(qū)域，在工作面回采期間將不能承載上覆圍巖傳遞的載荷而產(chǎn)生內(nèi)生裂隙甚或被破壞，此時(shí)由于水的滲透作用，煤柱內(nèi)發(fā)生塑性變形的區(qū)域?qū)o法起到有效的隔水作用。而煤柱中能夠基本保持原巖應(yīng)力情況的彈性核區(qū)，能夠有效地起到隔水效果。

（2）煤柱合理隔水寬度

基于前人研究結(jié)果，探放水巷道與架空人車大巷煤柱的塑性屈服區(qū)應(yīng)當(dāng)比工作面回采時(shí)受動(dòng)壓作用影響的范圍小，因此煤柱合理隔水寬度可通過下述公式計(jì)算[8]。

式中：a為煤柱受工作面回采擾動(dòng)影響因子，綜采取值1.5；b為煤柱在掘巷期間的影響因子，取值1.32；L1為煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍，m；L2為煤柱極限彈性核區(qū)范圍，m。

①煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍

煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍可通過下述公式計(jì)算[9]。

式中：m為下方15下號(hào)煤層的煤厚，m；K為采空區(qū)一側(cè)煤柱的應(yīng)力集中程度，取值2.5；γ為15下號(hào)煤層上覆圍巖平均容重，kN/m3；H為15下號(hào)煤層埋深，m；Cm表示15下號(hào)煤層內(nèi)聚力，MPa；φ表示15下號(hào)煤層內(nèi)摩擦角，°；f為15下號(hào)煤層同頂?shù)装鍑鷰r互層接觸系數(shù)，取值0.15；pi為巷道支護(hù)對(duì)煤柱幫應(yīng)力，單位為MPa，取值0；ξ為三軸應(yīng)力計(jì)算公式，取值

15下號(hào)煤層平均埋深240m，上覆圍巖平均容重25 kN/m3，平均煤厚2.65m，內(nèi)聚力1.8MPa，內(nèi)摩擦角33°。將以上實(shí)際參數(shù)代入式（5），得出在礦壓作用下煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍為1.66 m。

②煤柱極限彈性核區(qū)范圍

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》關(guān)于隔水煤柱安全系數(shù)的相關(guān)規(guī)定，煤柱極限彈性核區(qū)范圍可通過下述公式計(jì)算[10]。

式中：m為下方15下號(hào)煤層的煤厚，m；K為《煤礦防治水細(xì)則》中關(guān)于安全系數(shù)的相關(guān)規(guī)定，取值3；P為水頭壓力，井田東部下方15下號(hào)煤層最低和最高標(biāo)高分別為+970和+1100，該值應(yīng)為1.3MPa；Kp為15下號(hào)煤層的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際情況取值0.96MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式（6）中，則煤柱極限彈性核區(qū)范圍為8.01 m。

③煤柱合理隔水寬度

綜合上述計(jì)算結(jié)果，將L1和L2的計(jì)算結(jié)果代入式（4）中，可以得出煤柱合理隔水寬度L≥14.58 m。根據(jù)前述合理外錯(cuò)距離計(jì)算結(jié)果，探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱寬度則為28m，能夠有效保證煤柱隔水效果和巷道圍巖支護(hù)效果。

最終設(shè)計(jì)探放水巷道布置情況見圖3。

圖3 探放水巷道布置剖面

3 探放水技術(shù)措施

在探放水巷道布置多臺(tái)泵分級(jí)排水作業(yè)。為防鉆孔塌孔對(duì)抽排水作業(yè)造成影響，設(shè)計(jì)采用下三節(jié)總長(zhǎng)7m的套管，三個(gè)節(jié)之間均采用鐵絲連接，采用水泥砂漿將鉆孔孔口封閉，外接100 mm閥門。在探放水期間主要采用以下幾個(gè)方面的防治水措施：

（1）堅(jiān)持水文地質(zhì)專項(xiàng)預(yù)報(bào)。

（2）加強(qiáng)探放水期間的水情觀察。

（3）加強(qiáng)對(duì)補(bǔ)給動(dòng)水的抽排工作。

（4）在適宜地點(diǎn)安裝強(qiáng)備用排水大泵。

4 結(jié)語

本次研究的探放水巷道合理布置能夠滿足架空人車大巷煤柱隔水效果不受15下號(hào)煤層開采影響，并且探放水巷道與上方15上號(hào)煤層采空區(qū)積水區(qū)域具有合理外錯(cuò)距離，以便于探放水作業(yè)。然而由于長(zhǎng)榆河煤業(yè)是資源整合煤礦，所整合煤礦技術(shù)管理相對(duì)薄弱，地質(zhì)、圖紙等技術(shù)管理有所欠缺，給礦井防治水工作造成一定程度的困難，在現(xiàn)場(chǎng)探放水工作中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，以提高礦井防治水工作水平。