淺談原海圣采空積水超前探放方案應(yīng)用

謝海亮

(霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)公司 地質(zhì)處，山西 霍州 043300)

隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，開采深度不斷增加，淺部煤層采出后形成的采空區(qū)，賦存有大量的采空區(qū)積水。煤炭資源的開采會(huì)導(dǎo)致頂板巖層發(fā)育為一定高度的導(dǎo)水裂隙帶，降低頂板巖層的隔水性能，形成導(dǎo)水通道。一旦導(dǎo)水通道導(dǎo)通上部采空區(qū)積水區(qū)域，將會(huì)發(fā)生礦井工作面突水事故，突水事故一旦發(fā)生，水量巨大，來勢(shì)兇猛，礦井水還具有很大的腐蝕性，直接威脅到井下工作面的安全高效生產(chǎn)[1]。因此，需針對(duì)礦井采空區(qū)積水范圍進(jìn)行分析，并在下層煤開采前，對(duì)上覆采空區(qū)積水進(jìn)行針對(duì)性的抽排[2-3]。

1 工程概況

1.1 礦井概況

原海圣煤礦為騰暉煤業(yè)整合礦井之一，位于山西省河津市，2020年原海圣煤礦采掘區(qū)域?yàn)槿蓞^(qū)，采區(qū)范圍內(nèi)受小煤窯破壞較為嚴(yán)重，存在水害威脅。為確保三采區(qū)回風(fēng)巷施工安全，采取積極疏放措施消除三采區(qū)內(nèi)主要巷道及采空區(qū)積水威脅，確定在10號(hào)煤主運(yùn)巷疏放上覆2號(hào)煤層海圣主要巷道積水，并進(jìn)行長期疏放。

三采區(qū)走向長約3 km，傾向長約1.8 km，采區(qū)面積為3 616 077 m2，整體為一不規(guī)則的多邊形，開采2號(hào)煤層+330 m水平，地面標(biāo)高+622～+842 m；井下標(biāo)高+325～+620 m，埋藏深度150～470 m。三采區(qū)內(nèi)主要開采2號(hào)煤層，位于山西組下段上部，下距10號(hào)煤層43.11～52.18 m，平均47.30 m。煤層厚度5.98～7.23 m，平均6.24 m，傾角3～12°，平均7°，簡單到復(fù)雜結(jié)構(gòu)，含0-1層夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，位置關(guān)系如圖1所示。采區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層埋藏較深，無地表露頭或隱伏露頭，不存在風(fēng)氧化現(xiàn)象。

圖1 三采區(qū)煤層位置關(guān)系示意

1.2 三采區(qū)采空積水區(qū)情況

三采區(qū)存在8座關(guān)閉小煤窯、23座廢棄井口。根據(jù)調(diào)查，三采區(qū)范圍內(nèi)存在11處采空區(qū)，其中4處采空區(qū)內(nèi)存在積水，原海圣大巷巷道內(nèi)存在積水。區(qū)域內(nèi)原各小煤窯采空區(qū)多有連通，受井田西低東高的單斜構(gòu)造影響，周邊采空積水向井田中部采空區(qū)形成補(bǔ)給。三采區(qū)采掘活動(dòng)范圍大部分在采空區(qū)域內(nèi)，在施工過程中,需要揭露采空區(qū)，形成采空區(qū)積水突水威脅，且在有隱伏導(dǎo)水構(gòu)造橫向溝通積水區(qū)與三采區(qū)井巷工程時(shí)，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的采空積水突水事故。采空區(qū)積水是三采區(qū)最大的水害隱患。

原海圣小煤窯三條大巷有井下長流水，與騰暉井底繞巷疏放水點(diǎn)有巷道溝通，疏放水點(diǎn)標(biāo)高+324 m，過水巷道中積水最高標(biāo)高+336 m，預(yù)計(jì)該標(biāo)高下巷道全部積水，積水巷道長度約5 700 m，巷道斷面約8 m2，充水系數(shù)按最高值0.8計(jì)算，預(yù)計(jì)水量30 000 m3。

2 探放采空區(qū)積水設(shè)計(jì)

2.1 鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)

騰暉原海圣巷道疏放水定向鉆孔預(yù)設(shè)1個(gè)鉆場(chǎng)，位于10號(hào)煤主運(yùn)輸巷8號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)左幫，鉆場(chǎng)長9.5 m、深5 m、高3 m，如圖2所示。

圖2 騰暉原海圣巷道疏放水鉆場(chǎng)位置示意

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

經(jīng)探測(cè)，疏放水靶向區(qū)域小窯巷道底板標(biāo)高至孔口落差最大為50 m，積水高度推測(cè)為20 m，孔口水壓0.6 MPa，根據(jù)煤礦防治水細(xì)則，孔口預(yù)設(shè)10 m地質(zhì)套管(兩堵一注)，耐壓強(qiáng)度>1 MPa，鉆孔施工期間安裝孔口裝置。

疏放水設(shè)計(jì)4個(gè)定向鉆孔，如圖3所示，按照鉆孔施工順序：2號(hào)鉆孔施工靶區(qū)為F1至F2斷層中間運(yùn)輸大巷(原海圣)煤巷；1號(hào)鉆孔施工靶區(qū)為兩斷層中間材料大巷(原海圣)79號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)附近；3號(hào)鉆孔施工靶區(qū)為兩斷層中間中央水倉(原海圣)最低點(diǎn)；4號(hào)鉆孔施工靶區(qū)為F1斷層以北材料大巷(原海圣)68號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)附近?？紤]到小窯底板可能積存巖渣，鉆孔終孔位置應(yīng)在巷幫打通小窯巷道。2號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)兩個(gè)分支，2-1號(hào)分支施工至斷層上盤運(yùn)輸大巷前10 m，進(jìn)行對(duì)2號(hào)煤層頂板高度探測(cè)，根據(jù)實(shí)際2號(hào)煤層頂板標(biāo)高推測(cè)運(yùn)輸大巷靶區(qū)標(biāo)高，以及驗(yàn)證其余靶區(qū)標(biāo)高是否正確。

圖3 騰暉原海圣巷道疏放水鉆孔水平投影

1號(hào)鉆孔開孔方位角43.76°，目標(biāo)方位角43.76°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度267 m，鉆孔垂高37 m，終孔位于材料大巷采空區(qū)內(nèi)；2號(hào)鉆孔開孔方位角38.59°，目標(biāo)方位角38.59°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度222 m，鉆孔垂高36 m，終孔位于運(yùn)輸大巷采空區(qū)內(nèi)；3號(hào)鉆孔開孔方位角32.67°，目標(biāo)方位角32.67°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度276 m，鉆孔垂高41 m，終孔位于水倉內(nèi)；4號(hào)鉆孔開孔方位角26.69°，目標(biāo)方位角26.69°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度324 m，鉆孔垂高43.7 m，終孔位于材料大巷采空區(qū)內(nèi)。

2.3 鉆孔施工

1) 鉆孔施工向上爬升時(shí)，鉆孔軌跡大部分要穿過石灰?guī)r，硬度系數(shù)f>12，在施工時(shí)，采用大扭矩馬達(dá)和專用硬巖鉆頭，要嚴(yán)格控制進(jìn)鉆速度和鉆孔軌跡。

2) 在2-4號(hào)鉆孔要跨過運(yùn)輸大巷，嚴(yán)格校驗(yàn)導(dǎo)向磁偏角，在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)，控制好方位、傾角，避過巷道下部泥巖。

3) 鉆孔設(shè)計(jì)孔徑133 mm，施工工藝為一次成孔100 mm，二次擴(kuò)孔成型。

4個(gè)鉆孔剖面圖如圖4所示。

圖4 騰暉原海圣巷道疏放水鉆孔剖面投影

3 鉆孔施工工序

3.1 移機(jī)定位

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)要求和鉆機(jī)操作規(guī)程的規(guī)定將鉆機(jī)搬移至開孔位置，按照設(shè)計(jì)方位角和傾角固定鉆機(jī)，鉆機(jī)前方距離開孔點(diǎn)煤(巖)壁的距離不小于1.5 m，但不宜大于3 m，開孔高度不得小于1 m。

3.2 開孔和擴(kuò)孔

移機(jī)定位完成后，即可進(jìn)行開孔擴(kuò)孔操作。鉆孔開孔之前，在開孔位置將網(wǎng)片剪開400 mm×400 mm的開口，便于下鉆開孔。VL1000鉆機(jī)使用D96 mm打鉆鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式直接開孔，然后用D190 mm擴(kuò)孔鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式直接擴(kuò)孔，開孔段長度11 m。

圖5 開孔段示意

3.3 封 孔

1) 下設(shè)止水套管。止水套管采用D159 mm×1.5 m的鐵制止水套管，連接方式采用絲扣式，依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》疏放水鉆孔超前距和止水套管長度，應(yīng)當(dāng)符合下列規(guī)定：①老空積水范圍、積水量不清楚的區(qū)域，近距離煤層開采的或者地質(zhì)構(gòu)造不清楚的區(qū)域，疏放水鉆孔超前距不得小于30 m，止水套管長度不得小于10 m；老空積水范圍、積水量清楚的疏放水鉆孔超前距和止水管長度，根據(jù)水頭值高低、煤(巖)層厚度、強(qiáng)度及安全技術(shù)措施等確定；②沿巖層疏放含水層、斷層和陷落柱等含水體時(shí)，按表1確定疏放水鉆孔超前距和止水套管長度。根據(jù)規(guī)定封孔長度為10 m。

表1 巖層中疏放水鉆孔超前距和止水套管長度

2) 注漿固孔。固管時(shí)使用水泥標(biāo)號(hào)不低于525號(hào)，無變質(zhì)、結(jié)塊現(xiàn)象，采用0.5∶1水泥漿封閉固結(jié)，48 h后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

圖6 注漿示意

3) 耐壓試驗(yàn)。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，在預(yù)計(jì)水壓大于0.1 MPa的地點(diǎn)探水時(shí)，預(yù)先固結(jié)套管，并安裝閘閥。止水套管應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓值不得小于預(yù)計(jì)靜水壓值的1.5倍?？卓诜饪坠苣蛪涸囼?yàn)，試驗(yàn)壓力必須達(dá)到1 MPa，孔口管管壁及管口四周不漏水為耐壓試驗(yàn)合格，否則，重新進(jìn)行注漿，直至合格為止。

4) 安裝防噴裝置。耐壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)收合格后，安裝好法蘭盤、水壓表、防水閘閥及反噴裝置(抗水壓3 MPa)，做好防突水準(zhǔn)備后，改用D98 mm孔徑開始鉆進(jìn)。

圖7 孔口防噴裝置

4 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過巷道施工三個(gè)階段探放水，施工4個(gè)鉆孔，有效對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行了疏放，自2018年11月12日至2019年2月3日，共疏放水量26 500 m3，采空區(qū)水壓自0.06 MPa下降為0 MPa，疏放期間單孔最大疏放水量210 m3/h，取得了良好的疏放水效果，消除了水害威脅，確保了三采區(qū)工作面安全施工，解放儲(chǔ)量268萬t。2019年2月，組織防治水隊(duì)對(duì)10號(hào)煤主運(yùn)輸巷采空區(qū)疏放水情況進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證該采空區(qū)積水已疏干放凈，無水害威脅。