極近間距煤層上覆采空區(qū)探放水方法分析研究

（西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

1.引言

近些年，西山煤田多數(shù)礦井由于高強(qiáng)度的開采，上組煤已經(jīng)逐漸開采完畢，轉(zhuǎn)而進(jìn)行下組煤層的開采。以西銘為例，井田內(nèi)可采煤層有2#、3#、8#、9#煤層，其中二疊系下統(tǒng)山西組2#、3#煤層基本開采完畢，而石炭系上統(tǒng)太原組8#、9#煤層為礦井主力開采煤層，當(dāng)上覆8#煤層開采結(jié)束，進(jìn)行開采下部9#煤層時(shí)，受到了上部8#煤層采空區(qū)積水的影響，必須進(jìn)行超前探放水，但由于8#與9#煤層的層間距僅有1.5m～3.3m，屬于極近間距煤層群。為避免采空區(qū)積水不能徹底探放，在掘進(jìn)過程中頂板裂縫積水潰入工作面，造成突水事故，為此，根據(jù)工作面存在的這一特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化探放水方案，決定采取多種探測方法相結(jié)合方式進(jìn)行探放水，保證工作面的安全掘進(jìn)、回采。

2.工作面概況

(1)工作面地質(zhì)概況

工作面上覆為8#煤層48709工作面采空區(qū)，8#與9#煤層間距1.5m～3.30m；工作面軌道巷、皮帶巷為梯形斷面，工字鋼架棚支護(hù)；探放水孔施工區(qū)域9#煤層厚度為2.7m～3.9m，質(zhì)軟。所穿9#煤層偽頂頁巖，節(jié)理發(fā)育，破碎容易冒落；直接頂為細(xì)砂巖，質(zhì)硬，灰白色～灰色，近水平層理，含有黃鐵礦，頂上有薄層頁巖、砂質(zhì)頁巖，局部底部相變成砂質(zhì)頁巖。

據(jù)上覆8#煤回采資料推測，掘進(jìn)中將揭露斷層15條，其中落差大于1.0m斷層11條；軌道巷掘進(jìn)中將揭露陷落柱X9865，陷落柱周邊煤巖層裂隙發(fā)育，松軟破碎。

(2)工作面水文地質(zhì)概況

工作面上覆為8#煤層48709采空區(qū)，開采時(shí)間為2015～2017年，開采方式為綜采，采高3.5m，一方面工作面回采后受大氣降水通過采動(dòng)裂縫補(bǔ)給，在采空區(qū)的低洼處形成大面積的積水，另一方面受8#煤層的采動(dòng)破壞，上覆含水巖層的裂隙水通過采動(dòng)裂隙進(jìn)入采空區(qū)，是積水的主要補(bǔ)給來源。

3.工作面積水量估算

通過測定積水壓力，圈定積水區(qū)范圍，老空區(qū)積水量估算采用類比分析估算法，可用下列公式計(jì)算：

Q=KFM/cosα

式中：Q—積水量，m3；

K—充水系數(shù)，取0.3；

F—采空區(qū)積水水平投影面積，m2；

M—采空區(qū)平均采高，m；

α—煤層傾角。

根據(jù)標(biāo)高1016m圈定的積水范圍面積為46772m2，48709開采高度為H=3.5m，根據(jù)上面公式可得到：

Q=0.3×46772×3.5/cos5°=85636m3

4.上覆采空區(qū)探放水技術(shù)研究

第一，首先堅(jiān)持“物探先行，化探跟進(jìn)，鉆探驗(yàn)證”的防治水原則對工作面進(jìn)行超前物探，工作面每掘進(jìn)90m施工超前物探，查找低阻異常區(qū)。

第二，對工作面進(jìn)行有掘必探，按照要求對工作面順層進(jìn)行鉆探，鉆孔深度設(shè)計(jì)75m（即長探），前方控制30m，工作面左右兩側(cè)控制20m，主要探查工作面附近的地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)異常體賦存情況，防止導(dǎo)水情況發(fā)生。

第三，對上覆采空區(qū)進(jìn)行施工探放水鉆孔，可參考物探探測成果進(jìn)行布置探放水鉆孔，探放水鉆孔成組布置，設(shè)計(jì)孔深11～25m（即短探），可進(jìn)行鉆孔相互驗(yàn)證，必要時(shí)施工驗(yàn)證鉆孔，保證積水疏放干凈。

第四，采用錨桿鉆機(jī)，掘進(jìn)中每班對頂板垂直施工鉆孔，首先探測工作面頂板上方積水情況，保證不頂水作業(yè)，避免發(fā)生突水事故；其次，探測頂板的厚度變化情況，為掘進(jìn)中頂板支護(hù)提供決策依據(jù)，為后來工作面回采兩端頭超前維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

(1)井下工作面物探

①基于多種干擾因素存在下的物探施工及異常區(qū)的判定

由于8#與9#煤層間距極近，工作面采用全架棚支護(hù)，棚間距0.6m，物探背景場受金屬棚梁干擾，以下為幾個(gè)物探關(guān)鍵點(diǎn)：

A.在現(xiàn)場施工時(shí)，將電阻率值相差較大的測點(diǎn)刪除，重新探測，直至電阻率值趨于一致，方可進(jìn)行下一測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。

B.對采集的原始探測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將衰減異常的以及視電阻率值突變的歸一化曲線刪除。

C.對疏密變化較大的多測道曲線進(jìn)行重新處理。

D.根據(jù)重新處理的曲線進(jìn)行兩種方式的濾波，并形成成果圖。

②49709軌道巷9月20日超前物探成果（見圖1、圖2）

圖1 探測工程平面圖

圖2 探測成果示意圖

通過對成果圖進(jìn)行分析：順層方向與頂板方向都顯示不同程度的低阻異?，F(xiàn)象，低阻異常位于左側(cè)方向，前方20m～120m位置，頂板方向低阻異常是由于上覆采空區(qū)內(nèi)充滿積水引起的，順層方向低阻異常是由于上覆采空積水通過頂板裂隙滲入煤層導(dǎo)致煤層裂隙充水引起的。

(2)探放水鉆孔設(shè)計(jì)

針對物探探測成果，對低阻異常區(qū)方向進(jìn)行施工探放水鉆孔，鉆探位置為49709軌道巷測6#前59m處，目的為探放工作面上覆8#煤采空區(qū)積水，本次鉆探共設(shè)計(jì)2個(gè)探放水鉆孔，2個(gè)探放水效果驗(yàn)證鉆孔，鉆孔方位偏左15°，設(shè)計(jì)為320°，鉆孔傾角+10～15°，設(shè)計(jì)孔深11～25m，如鉆孔未打通采空區(qū)，視情況補(bǔ)充鉆孔1～2個(gè)，鉆孔參數(shù)同設(shè)計(jì)鉆孔一致。

探放水結(jié)束后，設(shè)計(jì)每班（每隔6米）使用錨桿鉆機(jī)垂直頂板施工探孔，探測頂板厚度及采空積水情況。

(3)探放水效果

2020年10月20日～22日在49709軌道巷掘進(jìn)至測6#前59m位置，共施工6個(gè)探放水鉆孔，打通采空區(qū)，且鉆孔出水，此次探放水約3200m3，水位垂高下降0.5m，水位線向前退15m，在允掘范圍內(nèi)向頂板施工鉆孔驗(yàn)證，鉆孔不出水，則頂板上方?jīng)]有積水，沒有頂水作業(yè)，從而保證了軌道巷不受水患威脅。

5.結(jié)論

（1）瞬變電磁法在處理數(shù)據(jù)時(shí)，其正演模擬和反推計(jì)算效果一般，發(fā)射信號及接收信號易受大型金屬設(shè)備等的濾除，現(xiàn)場判斷采集數(shù)據(jù)存在問題時(shí)，需首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)處理所采用的軟件、方法對結(jié)果影響很大。

（2）采用多種探測方式探放近距離8#煤層采空積水是很好的辦法，如此不僅排除了8#煤層采空積水，防止在49709軌道巷掘進(jìn)過程中由于頂板疏漏而淹沒工作面，還為掘進(jìn)采煤期間的支護(hù)提供準(zhǔn)確的頂板厚度數(shù)據(jù)。