淺析王莊煤礦老空區(qū)積水現(xiàn)狀及探防治理措施

王 斐

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

煤礦水害是威脅礦井安全生產(chǎn)的重大隱患之一，長(zhǎng)期以來(lái)給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失[1-3]。而在威脅礦井安全的水害因素中，老空區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，不易準(zhǔn)確判定積水情況及特征，受地質(zhì)條件影響，老空區(qū)積水的層位、空間分布等特征也難以準(zhǔn)確掌握，所以極易引起水害事故的發(fā)生[1-2]。王莊煤礦是一座特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，井田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，且井田范圍內(nèi)包括了幾處小煤窯，加之以前粗放型開(kāi)采以及煤炭資源的逐步枯竭，現(xiàn)有生產(chǎn)及設(shè)計(jì)工作面多數(shù)受到老空區(qū)積水威脅，所以老空水探放工作對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 王莊煤礦老空區(qū)積水現(xiàn)狀

王莊煤礦位于潞安礦區(qū)東南部，是潞安集團(tuán)下屬的特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，核定產(chǎn)能710萬(wàn)t/a，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚6.7 m，傾角2～6°，開(kāi)采深度標(biāo)高+880～+350 m。王莊煤礦相鄰礦井包括常村煤礦、石圪節(jié)煤礦、漳村煤礦等，井田內(nèi)有小煤窯17座。礦井主要充水來(lái)源包括采空區(qū)積水，3號(hào)煤層頂板二疊系砂巖裂隙水和第四系孔隙水直接充水源，大氣降水和地表水等間接充水源，3號(hào)煤層底板奧灰水間接充水水源等。礦井涌水量等級(jí)為中等類型。其中采空區(qū)積水主要包括井田內(nèi)采空區(qū)積水、井田內(nèi)小煤窯采空區(qū)積水、周邊礦井采空區(qū)積水，采空區(qū)積水等級(jí)為中等類型。目前，王莊煤礦對(duì)已有及規(guī)劃期開(kāi)采范圍內(nèi)的采空積水已經(jīng)全部進(jìn)行了針對(duì)性的疏排防治，達(dá)到了安全開(kāi)采要求，但由于采空區(qū)積水是有補(bǔ)給源和動(dòng)態(tài)變化的，加之采動(dòng)影響可能溝通其它含水層和采空積水區(qū)，在規(guī)劃期間必須加強(qiáng)采空積水區(qū)的巡防排查工作，以防造成意外事故的發(fā)生。

2 老空區(qū)積水探防要求及主要技術(shù)措施

老空區(qū)積水的形成途徑主要包括水源古井、小煤窯廢棄礦井、廢棄巷道、采空區(qū)等，當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)活動(dòng)波及到積水源，或破壞老空區(qū)積水的防護(hù)煤巖層，老空水就會(huì)進(jìn)入巷道或工作面，造成老空區(qū)積水水害事故。由于受到開(kāi)采活動(dòng)影響，或者地質(zhì)資料的缺失，所形成的老空區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水量及所處層位不能確定，而老空區(qū)積水具有分散、孤立和隱蔽的特點(diǎn)，更提升了準(zhǔn)確掌握積水空間分布的難度。目前，針對(duì)老空區(qū)積水有效探放的技術(shù)途徑為資料分析、物探探測(cè)、鉆探驗(yàn)證、鉆孔疏放[3-5]。2019年8月，山西省應(yīng)急管理廳、山西省地方煤礦安全監(jiān)督管理局印發(fā)了《山西煤礦防治水“三專兩探一撤”規(guī)定》，強(qiáng)調(diào)煤礦防治水工作必須堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、挖掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，煤礦必須具備防治水專業(yè)技術(shù)人員、專門的探放水隊(duì)伍及齊全的探放水設(shè)備，并且建立健全防治水責(zé)任體系及主體責(zé)任，采用物探、鉆探等方法進(jìn)行科學(xué)探放水。

1) 采用已有的地質(zhì)資料對(duì)開(kāi)采區(qū)域的水文地質(zhì)條件、礦井開(kāi)采情況、小煤窯等，參照礦井已有充水性圖和礦井等高線圖等資料進(jìn)行綜合分析，查明老空水的可能充水水源，預(yù)測(cè)老空水的范圍及體積，為老空水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

2) 采用三維地震、瞬變電磁法、礦井音頻穿透技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)等物探手段對(duì)老空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，圈定疑似老空區(qū)積水區(qū)域和分布[4]。

3) 采用鉆探手段對(duì)物探手段圈定的疑似區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，并驗(yàn)證老空區(qū)是否積水，以及進(jìn)一步定性老空區(qū)的積水范圍及積水量。

4) 查明老空區(qū)積水后，向超前布置探放水鉆孔，為了防止老空區(qū)積水漏放，鉆孔應(yīng)當(dāng)根據(jù)老空區(qū)積水的賦存條件，具有足夠幫距、超前距和控制密度。并且根據(jù)資料分析設(shè)計(jì)老空水抽排路線，且待老空區(qū)積水放完后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)孔驗(yàn)證。

3 王莊煤礦老空區(qū)積水探放實(shí)例

3.1 工作面概況

以7105工作面為例，該工作面位于+540 m水平71采區(qū)，工作面標(biāo)高553～586 m，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚為6.69 m，煤層傾角在2～10°，運(yùn)巷開(kāi)口至900 m范圍為上山掘進(jìn)，900 m至切眼段為下山掘進(jìn)，7105運(yùn)巷掘進(jìn)過(guò)程中在運(yùn)13前5 m揭露斷層F302，H=0.8 m，∠65°。7105工作面風(fēng)、運(yùn)巷掘進(jìn)過(guò)程中充水因素主要為3號(hào)煤層頂板砂巖含水層裂隙水，涌水量較小，正常涌水量為3～5 m3/d，其次為相鄰的7103已采工作面采空區(qū)積水，見(jiàn)圖1。而7103工作面于2016年回采結(jié)束，根據(jù)回采期間工作面來(lái)水及工作面煤層賦存條件分析，7103運(yùn)巷運(yùn)15點(diǎn)附近為工作面最低點(diǎn)，7105切眼位于該區(qū)域內(nèi)，為保證7105工作面安全回采需對(duì)7103采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。根據(jù)前期瞬變電物探探測(cè)(見(jiàn)圖2)及工作面等值線標(biāo)高，圈定了預(yù)測(cè)積水區(qū)域范圍為4 038 m2(見(jiàn)圖1)，同時(shí)結(jié)合對(duì)老空水的化驗(yàn)結(jié)果，分析老空水主要源于頂板K8、K10砂巖裂隙含水層。依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》采空區(qū)積水量計(jì)算公式計(jì)算得出(見(jiàn)式1)，7103采空區(qū)積水量為4 250 m3。

Q采=(K×M×F)/cosα

(1)

其中：Q采為采空區(qū)積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)，0.3；M為采區(qū)平均采高，3.5 m；F為采空積水區(qū)水平投影面積，約4 038 m2； 為煤層傾角，平均值4°。

圖1 7105工作面抽排7103采空區(qū)積水示意

圖2 水平方向超前探測(cè)視電阻率斷面圖(1∶15 000)

3.2 探放水鉆孔布置

為了探放7103采空區(qū)積水，保證7105工作面的安全回采，嚴(yán)格按照《煤礦防治水細(xì)則》設(shè)計(jì)探放水鉆孔，見(jiàn)表1。待7105切眼掘進(jìn)至240 m后在工作面右?guī)筒贾勉@場(chǎng)，按照前期循環(huán)物探成果設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)，鉆孔開(kāi)孔位置為巷道底板以上1 m，并且根據(jù)鉆孔實(shí)際觀測(cè)水量及現(xiàn)場(chǎng)排水能力及時(shí)調(diào)整鉆孔施工進(jìn)度和鉆孔數(shù)量。在切眼掘進(jìn)至警戒線后停止掘進(jìn)，首先對(duì)工作面正前方進(jìn)行超前物探，針對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行多角度探測(cè)，確定前方無(wú)水后方可繼續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)至探水線后停止掘進(jìn)，開(kāi)始進(jìn)行采空區(qū)疏放水工作。打鉆前進(jìn)一步完善7105運(yùn)巷排水系統(tǒng)，配備兩臺(tái)排水能力不小于60 m3/h的排水泵(一用一備)，鉆孔出水后通過(guò)直徑120 mm排水管集中排放至71/1號(hào)水倉(cāng)。在打鉆過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)鉆孔附近及孔內(nèi)瓦斯及出水量進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，并且做好水災(zāi)避災(zāi)路線和排水路線。

4 結(jié) 語(yǔ)

7105切眼探放7103老空區(qū)積水，共布置了4個(gè)鉆孔，孔深累計(jì)146 m，均探透老空區(qū)，初始合計(jì)涌水量為21 m3/h，累計(jì)放水量11 430 m3，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)空口最大水壓為0.03 MPa，按照《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定安裝止水套管，并采取相關(guān)套管固結(jié)措施。除此之外，為了保證7105風(fēng)巷的安全掘進(jìn)，在巷道前進(jìn)右?guī)兔扛?0 m布置探放水鉆孔，根據(jù)探測(cè)水量進(jìn)行鉆孔數(shù)量的增加。目前，7105工作面已經(jīng)開(kāi)始回采，消除了7103老空區(qū)積水威脅，遏制了工作面的水害發(fā)生，保證了工作面安全生產(chǎn)。

表1 7105切眼及探水巷探水鉆孔設(shè)計(jì)