無煤柱工作面上覆多層小窯采空積水綜合治理技術(shù)應(yīng)用

賀 偉

（山西省同煤集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037017）

云岡礦已經(jīng)進(jìn)入資源枯竭階段，為了最大限度地開采煤炭資源，必須在一些盤區(qū)邊界和水患嚴(yán)重的區(qū)域布置工作面。其中12#層410 盤區(qū)81041、81043 工作面是2019 年云岡礦選定的無煤柱工作面[1]，由于上覆8#、3#層存在大南溝和大西溝兩座小煤窯破壞區(qū)域，開采年代久遠(yuǎn)，采空區(qū)積水較多，小窯巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，必須采用多方面、多角度綜合技術(shù)解決上覆小窯采空積水的水患問題。

1 水文地質(zhì)概況

1.1 水文概況

12#410 盤區(qū) 81041、81043 工作面的上覆 3#層為大南溝小窯破壞區(qū)，層間距為118 m，8#層為大西溝小窯破壞區(qū)，層間距為63 m。由于小窯開采年代久遠(yuǎn)，多層小窯采空區(qū)，水患治理難度較大。在同一煤層井下北部為12#層20127 巷，南部為12#層410-4 盤區(qū)巷，西部未開拓，東部150 m 外為81017 和81027 采空區(qū)。根據(jù)《云岡礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》[2]資料解釋結(jié)果，其下伏層的寒武灰?guī)r巖溶水不會(huì)對(duì)開采造成威脅，不存在帶壓開采。

1.2 地質(zhì)概況

12#層410 盤區(qū)81041、81043 無煤柱工作面位于云岡礦410 盤區(qū)西部接近礦界處。工作面煤層整體為一向斜構(gòu)造，南北走向，東西傾向，東西高中間低，煤層傾角為5°～7°，平均6°，煤層厚度為1.5～4.0 m，平均2.75 m。81043 工作面走向長(zhǎng)360 m，傾向長(zhǎng)99 m，可采儲(chǔ)量為8 萬t。81041 工作面走向長(zhǎng)250 m，傾向長(zhǎng)137 m，可采儲(chǔ)量為10萬t。

2 積水區(qū)圈定及積水量預(yù)計(jì)

2.1 積水區(qū)圈定

針對(duì)81041、81043 工作面上覆存在的多層小窯采空積水，按照如圖1 所示的治理流程進(jìn)行水患治理。

圖1 水患治理流程圖

根據(jù)已有的小窯資料和物探成果以及臨近的采掘情況，在掘進(jìn)期間，分別對(duì)21017 空巷和81041切巷進(jìn)行施工，得到預(yù)計(jì)的積水區(qū)如圖2 所示。其中3#孔放水8497 m3，8#孔放水14 000 m3，9#孔放水22 400 m3，15#孔放水27 887 m3。為了達(dá)到所有鉆孔覆蓋3#、8#層采空區(qū)，在施工過程中，所有放水孔在8#層見實(shí)體煤時(shí)，繼續(xù)向上施工至3#層。

2.2 積水量預(yù)計(jì)

在該區(qū)域共開展三次物探工程：第一次和第二次均是由中國煤炭地質(zhì)總局地球地理勘探研究院對(duì)該區(qū)域進(jìn)行三維地震勘探，并給出相應(yīng)的勘探結(jié)果分析報(bào)告；第三次是由中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行的410 盤區(qū)新開拓區(qū)域上覆采空積水區(qū)物探，并給出相應(yīng)的物探結(jié)果分析報(bào)告[3]。根據(jù)以上物探結(jié)果分析報(bào)告分析認(rèn)為，12#層410 盤區(qū)81041、81043工作面上覆層局部存在異常區(qū)，同時(shí)根據(jù)小窯科提供的小窯追溯資料，初步預(yù)計(jì)8#層積水量為11.5萬m3。

圖2 工作面預(yù)計(jì)積水區(qū)域

3 探放水設(shè)計(jì)

3.1 探放水方案

采取掘放水孔疏干排水方案，使用ZDY-4000LD型的鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔[4]將積水排出。在施工前，先沿工作面走向掘一長(zhǎng)40 m 的平巷，將采空積水區(qū)的補(bǔ)給水量通過放水孔進(jìn)行自由排出，排水時(shí)間較短。

3.2 探放水鉆孔布置

探放水鉆孔的開孔孔徑為110 mm，終孔孔徑為75 mm。為了便于鉆孔放水，開孔位置距離巷道頂板2 m。為了保證放水效果，減少堵孔事件，終孔盡量距離采空區(qū)原頂板1.5～2.0 m。鉆頭直徑為108 mm，采用壓力排查法進(jìn)行鉆進(jìn)，并套上直徑為108 mm 的套管，采用水泥漿法進(jìn)行封孔。在水泥漿凝固24 h 后進(jìn)行掃孔，掃孔的深度要大于孔口管長(zhǎng)度，72 h 后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，保證順利放水，再用直徑為73 mm 的鉆頭鉆至終孔，根據(jù)采空區(qū)的能力通過對(duì)閘閥的調(diào)節(jié)來對(duì)放水進(jìn)行控制。探放水鉆孔的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。封孔的材料是將普通硅水泥中摻入速凝劑，并加水?dāng)嚢璩删鶆虻乃酀{，用封孔器將水泥漿打入鉆孔內(nèi)。鉆孔按照事先編好的編號(hào)對(duì)15 個(gè)孔進(jìn)行探放，施工到終孔后進(jìn)行探放水，到水放完為止，并及時(shí)關(guān)閉閘閥。

3.3 放水措施

探放水工作從順槽、回風(fēng)布設(shè)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定超前探測(cè)距離60 m，可掘進(jìn)距離30 m，超前距30 m。在放水過程中，如果鉆孔的流量突然變小，要進(jìn)行通透或擴(kuò)孔來查明原因。在鉆孔的放水口安裝閘閥和水壓表，對(duì)水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

圖3 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3.4 探放水測(cè)試

根據(jù)已經(jīng)施工的放水孔參數(shù)和3#、8#、9#、15#放水孔的壓力計(jì)算出水位高度，同時(shí)重新勾畫出上覆層等高線，繪制出上覆層的充水性圖。預(yù)計(jì)積水區(qū)積水面積和積水量為：8#層積水量為7.5 萬m3，3#層積水量為4 萬m3。根據(jù)新繪制出的充水性圖和積水區(qū)域，繼續(xù)設(shè)計(jì)了13 個(gè)驗(yàn)證放水孔。由于此時(shí)施工的放水孔有針對(duì)性，最終確定18#放水孔為小窯采空區(qū)最低區(qū)域，放水量為11 044 m3；20#孔為局部低洼處，放水量為1500 m3；32#孔為局部低洼處，放水量為1650 m3。施工結(jié)果基本上與預(yù)測(cè)一致，通過驗(yàn)證放水孔可以進(jìn)一步圈定8#層的小窯采空范圍。對(duì)上覆采空區(qū)的積水進(jìn)行探放后，不僅緩解了頂板壓力，節(jié)約了支護(hù)材料，還能預(yù)防由于積水長(zhǎng)期浸泡而造成的漏頂，使回采工作面能順利銜接。

4 實(shí)際效果

參照所有放水孔施工的參數(shù)和壓力值，以及通孔情況，確定了最終上覆層的等高線圖和積水范圍如圖4 所示。3#層、8#層共計(jì)放水121 000 m3，從而81041、81043 工作面的水患已消除，解放了81041 工作面煤炭?jī)?chǔ)量10 萬t，解放了81043 工作面煤炭?jī)?chǔ)量8 萬t，原煤利潤煤價(jià)按250 元/t 計(jì)算，工作面共創(chuàng)造利潤4500 萬元。

圖4 工作面最終積水區(qū)和采空范圍

5 結(jié)論

針對(duì)12#層410 盤區(qū)81041、81043 工作面上覆采空區(qū)積水問題，提出一種新的水患治理方法，得到結(jié)果如下：

（1）工作面上覆3#、8#層為多層小窯采空區(qū)，采用地面物探技術(shù)和小窯資料追溯，初步圈定積水區(qū)及預(yù)計(jì)積水量，為后期的探放水施工提供準(zhǔn)確參考，保證了探放小窯積水的順利進(jìn)行。

（2）在掘進(jìn)期間進(jìn)行鉆探放水，有針對(duì)性地布設(shè)放水孔，在8#層沒探通的情況下，還要繼續(xù)施工至3#層，確保了多層小窯積水的疏放，既保證了探放水工程的進(jìn)行，又不影響回采銜接。

（3）在綜合防治水技術(shù)下，順利圈出工作面積水區(qū)域。實(shí)施探放水后，共解放了81041 工作面煤炭?jī)?chǔ)量10 萬t，解放了81043 工作面煤炭?jī)?chǔ)量8萬t，原煤利潤煤價(jià)按250 元/t 計(jì)算，工作面共創(chuàng)造利潤4500 萬元。