采空區(qū)探放水應(yīng)用技術(shù)研究

孫 來

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 鐵峰煤業(yè)有限公司南陽坡礦，山西 朔州 036000)

礦井水害問題是我國煤礦開采中所面臨的主要災(zāi)害之一[1-2]。突水災(zāi)害發(fā)生的原因，一是當(dāng)?shù)装鍘r層的強度無法承受地下水的高壓作用時，地下水就會沖破底板巖層，涌入到采礦作業(yè)面；二是井下采空區(qū)大量積水，存在的導(dǎo)水裂隙帶與采空區(qū)貫通，導(dǎo)致空區(qū)水融入作業(yè)面，造成嚴(yán)重人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。特別是采空區(qū)積水問題，存在短時突然爆發(fā)的可能，為此，在工作面回采過程中，需要對其涉及的采空區(qū)積水進(jìn)行適時的探放，以消除采空區(qū)水害問題[5-6]。探放水方法是防治煤礦突水災(zāi)害發(fā)生的主要防治手段，在煤礦開采中尤為重要[7-8]。文章以某煤礦上覆煤層存在的采空區(qū)積水為研究背景，對空區(qū)水探放方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以實現(xiàn)礦山安全高效開采。

1 工程概況

某煤礦于1990年10月建井，2001年10月竣工投產(chǎn)，生產(chǎn)能力150萬t/a。根據(jù)礦方提供的資料，主采區(qū)地面標(biāo)高+1 318～+1 420 m，井下標(biāo)高+873～+940 m，位于該采區(qū)的15203與15201工作面主采15號煤層，煤層厚度3.63～7.35 m，平均5.32 m，采用綜采放頂煤開采工藝，礦井常規(guī)涌水量為78.5 m3/h，最大涌水量為174.6 m3/h。因多年的開拓、采掘，位于其上部的8號煤層目前已在井田的東部和中部形成較大面積的采空區(qū)。地下突水危險源主要來自于兩方面：①15201回風(fēng)巷地表發(fā)育一條季節(jié)性河流，主要接受大氣降水補給，大氣降水下滲補給各含水層，主要以動儲量形式存在；②15201回風(fēng)巷本煤層臨近15203回采工作面，該巷道上覆為8號煤層8201采空區(qū)，根據(jù)礦井水文地質(zhì)補充勘探報告與地表瞬變電磁探測結(jié)果，砂巖層存在較強的富水區(qū)，面積約為358.92 m2，對于井下采煤有顯著的影響。通過對8號煤層采空區(qū)物探結(jié)果，8201采空區(qū)存在大量積水，對15號煤層工作面采掘具有一定威脅。為保障15號煤的安全開采，根據(jù)防治水工作原則，需要提前對8201采空區(qū)存在的大量積水進(jìn)行探放，以消除突水危害。

2 垮落區(qū)及導(dǎo)水裂隙區(qū)高度確定

15號煤層15203工作面上部存在砂巖裂隙含水層，開采過程中實施全部垮落法進(jìn)行頂板處理，回采過程中產(chǎn)生的垮落區(qū)以及導(dǎo)水區(qū)易與其上部的含水層和8號煤層采空區(qū)聯(lián)通，導(dǎo)致突水災(zāi)害的發(fā)生，為此需要對以上兩個區(qū)域的高度進(jìn)行確定，為8201采空區(qū)積水探放提供支撐。

綜采垮落區(qū)與導(dǎo)水裂隙區(qū)計算方法如下[9]：

垮落區(qū)高度：

(1)

導(dǎo)水裂隙區(qū)高度：

(2)

式中：m為煤層平均厚度，m。

15203回采作業(yè)面煤層厚度3.63～7.35 m，平均厚5.32 m，帶入公式(1)與公式(2)，通過計算得到垮落區(qū)高度為17.09～26.51 m，導(dǎo)水裂隙區(qū)高度為52.91～75.89 m，由于8號煤層采空區(qū)距離15號煤層15203作業(yè)面高度為63.5 m，可以看出，15號煤層開采后形成的垮落區(qū)與導(dǎo)水裂隙區(qū)高度已達(dá)到上覆采空區(qū)位置，有可能發(fā)生采空區(qū)突水災(zāi)害風(fēng)險，必須對采空區(qū)積水進(jìn)行探放處理。

3 8201采空區(qū)積水探放方法

根據(jù)8號煤層采空區(qū)所在位置，南翼探巷進(jìn)行探放水工程施工作業(yè)，該次共掘進(jìn)2個探放鉆場，在巷道幫側(cè)共布置2個放水硐室(寬5 m、高5 m)，每個鉆場布置3個鉆孔，鉆孔平均距離為1.5 m，所布設(shè)的探放水鉆孔，一方面用作堵水，另一方面用作放水，鉆孔采用孔徑50 mm與150 mm的兩種鉆頭進(jìn)行施工，前者用于鉆孔，后者用于擴孔，隨后鋪設(shè)15 m長、直徑100 mm的鋼管，鉆孔端部安裝有閘閥及測壓表，用來監(jiān)測出水量及水壓，鉆孔參數(shù)見表1，每個鉆場內(nèi)鉆孔位置及其布置方式見圖1。

表1 鉆孔參數(shù)

圖1 鉆場探放水孔布置形式

為實現(xiàn)監(jiān)測鉆孔的止水作用，需要裝設(shè)止水套管，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 止水套管結(jié)構(gòu)

套管與孔壁間使用封堵袋堵塞，即采用礦用注漿泵往封堵袋內(nèi)加灌水泥料漿來堵塞與加固套管。為避免出水壓力過大造成套管脫落，還應(yīng)該在套管所在位置的壁面中打錨桿來進(jìn)行加固，隨后來完成清掃鉆孔作業(yè)，最后進(jìn)行鉆孔耐壓試驗。當(dāng)水壓值為出水壓力的1.4倍左右穩(wěn)定30 min。管口周邊未出現(xiàn)漏水，說明滿足探放水要求；反之需要繼續(xù)灌漿加固，直至不漏水為止。

通過現(xiàn)場對不同鉆孔進(jìn)行采空區(qū)涌水量監(jiān)測，結(jié)果見表2。發(fā)現(xiàn)不同的監(jiān)測鉆孔均存在不同的涌水情況，總涌水量為42.9 m3/h，監(jiān)測結(jié)果進(jìn)一步表明8201采空區(qū)含有大量積水，需要及時疏放。

表2 鉆孔涌水量

4 現(xiàn)場探放水效果

通過現(xiàn)場對8201采空區(qū)內(nèi)部積水進(jìn)行持續(xù)探放，待所有鉆孔完成探放并封堵后，通過統(tǒng)計共放出水量約為18 654.7 m3。各鉆孔探放水累加量隨探放時間的變化情況見圖3。

圖3 疏放水量隨時間變化情況

隨著探放時間的增加，放出水總量呈“S”型變化趨勢，主要分為三個階段，即初期緩慢增加階段、中期快速增加階段與后期平穩(wěn)階段。由于在探放水初期，部分導(dǎo)水鉆孔中含有雜質(zhì)而沒有完全貫穿，這一時期探放水量增加緩慢；隨著中期鉆孔在水壓作用下完全打通，涌水量迅速增加，這一時期在整個探放水過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用；隨著采空區(qū)內(nèi)積水的不斷減少，到后期總水量基本保持恒定，說明采空區(qū)內(nèi)積水已基本疏放完成，不構(gòu)成采空區(qū)涌水風(fēng)險。

1號、3號及5號鉆孔水壓隨探放水時間的變化情況見圖4。整個探放周期內(nèi)可以看出，隨著探放水時間的增加，水壓呈現(xiàn)波動變化特征。探放初期(0～6 d)，水壓降低速率較小，其中，在第3天出現(xiàn)了水壓反彈增加的情況，說明此階段鉆孔并未被水流完全貫通，初期最大水壓達(dá)1.85 MPa；探放中期(7～12 d)，水壓變化呈現(xiàn)為降低—增加—降低變化特征，其中，在第11天出現(xiàn)了明顯的水壓反彈增加，這一階段表明在探放水11 d后鉆孔完全貫通，孔內(nèi)雜質(zhì)已被排除，隨著空區(qū)內(nèi)水量的減少，水壓開始降低，中期水壓最高達(dá)到1.27 MPa；在探放后期(13 d以后)，水壓迅速降低，平穩(wěn)后水壓約為0 MPa。值得注意的是，1號與3號鉆孔探放水時間為21 d，5號鉆孔為24 d。造成不同鉆孔探放水時間不同的原因可能與5號鉆孔所在的位置偏低有關(guān)。整個探放周期結(jié)束后，各鉆孔水壓均降為0 MPa，說明8201采空區(qū)積水已探放完成，有效保障了15號煤層15203作業(yè)面的安全回采。

圖4 鉆孔水壓隨時間變化情況

5 結(jié) 語

1) 通過對某煤礦15203回采作業(yè)面垮落區(qū)及導(dǎo)水裂隙區(qū)高度確定，得到垮落區(qū)高度為17.09～26.51 m，導(dǎo)水裂隙區(qū)高度為52.91～75.89 m，總發(fā)育高度達(dá)到了上覆8號煤層8201采空區(qū)高度值，有可能發(fā)生采空區(qū)突水災(zāi)害風(fēng)險，必須對采空區(qū)積水進(jìn)行探放處理。

2) 通過對8201采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行鉆孔探放水研究，隨著探放時間的增加，放出水總量呈“S”型變化趨勢，主要分為初期緩慢增加、中期快速增加與后期平穩(wěn)三個階段，探放水總量達(dá)18 654.7 m3；通過現(xiàn)場水壓監(jiān)測，整個探放水過程中，水壓由初期的1.85 MPa降為最終的0 MPa。表明文章提出的探放水方法有效可行，保障了其下部15號煤層15203作業(yè)面的安全高效開采。