經(jīng)坊煤業(yè)采空區(qū)高水頭積水分段疏放技術(shù)應(yīng)用研究

侯麗兵

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

0 引言

山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司始建于1980年，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬(wàn)t/a，1988年12月投產(chǎn)，經(jīng)多次改擴(kuò)建后生產(chǎn)能力提升至300萬(wàn)t/a，現(xiàn)隸屬于山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)公司控股管理，批準(zhǔn)開(kāi)采3-15號(hào)煤層，井田面積30.722 9 km2，生產(chǎn)規(guī)模300萬(wàn)t/a，開(kāi)采標(biāo)高840～390 m。現(xiàn)階段開(kāi)采3號(hào)煤層，水文地質(zhì)類型為中等。3號(hào)煤層頂板充水水源主要是煤層頂板及圍巖山西組和下石盒子組砂巖裂隙水，該含水層富水性弱，對(duì)3號(hào)煤層開(kāi)采影響較小。隨著開(kāi)采水平的不斷延伸和開(kāi)采深度的不斷加大，采空區(qū)面積隨著增大，礦井受水害威脅也越來(lái)越大。目前，采空區(qū)積水是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素。

1 工作面采空區(qū)積水現(xiàn)狀

3-807工作面按設(shè)計(jì)要求運(yùn)輸、回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，且工作面內(nèi)斷層比較多，兩順槽共揭露斷層12條，其中大于5 m的斷層2條；揭露1條向斜構(gòu)造，編號(hào)為S2，該向斜正好位于3-807工作面第二切眼處，且該切眼為3號(hào)煤層最低點(diǎn)，在工作面回采完畢后，容易形成積水。3-8061順槽位于經(jīng)坊煤礦八采區(qū)，與3-807工作面相鄰，為保證礦井的采掘銜接及3-8061順槽安全掘進(jìn)，經(jīng)研究決定，開(kāi)展高水頭分段疏放技術(shù)研究，確保該順槽能夠順利掘進(jìn)。

3-8061順槽北側(cè)為3-807工作面，該面回采時(shí)間為2017年8月-2019年4月，根據(jù)3-807順槽密閉泄水孔出水情況，工作面積水標(biāo)高為+462-+544 m，積水面積218 165 m2、積水量685 038 m3。根據(jù)3-8072順槽導(dǎo)線控制點(diǎn)高程及底板等高線情況，實(shí)測(cè)采空區(qū)積水標(biāo)高為+554.3 m，3-8061順槽承受水壓為0～0.845 MPa。經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)分析，3-807工作面采空區(qū)積水水源為上覆頂板砂巖裂隙水。根據(jù)積水抽排、水位變化情況，補(bǔ)給量約37 m3/h。

1.1 積水量

積水量采用采空區(qū)估算公式：

式中：K為采空區(qū)充水系數(shù)（介于0.3～0.50之間），取0.5；M為煤層采高（采用3-807工作面煤層平均厚度，m）取6.28；F為采空區(qū)面積，m2，取218 165 m2；α為煤層傾角（采用平均值），取3°。

將上述參數(shù)代入公式得：685 038 m3。

1.2 3-8061順槽布置、施工次序、規(guī)格和支護(hù)形式

3-8061順槽的掘進(jìn)方位為268°12′53″，與3-807工作面采空區(qū)平行布置，順槽斷面呈矩形，掘進(jìn)寬5.2 m，掘進(jìn)高3.1 m，掘進(jìn)斷面積16.12 m。支護(hù)形式：采用錨網(wǎng)支護(hù)方式，頂板采用鋼帶+錨桿+錨索+金屬網(wǎng)，兩幫采用錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)。

2 必要性數(shù)據(jù)分析

2.1 采掘工程引起的圍巖移動(dòng)變形破壞規(guī)律、采空區(qū)積水量計(jì)算

以經(jīng)坊礦3-8061工作面為工程背景。對(duì)3-807工作面（已回采）引起的圍巖移動(dòng)變形破壞規(guī)律進(jìn)行分析，建立采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算模型，然后得出3-807工作面主要充水含水層。通過(guò)運(yùn)用地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及采空區(qū)積水量計(jì)算方法，對(duì)主要充水含水層的涌水量和采空區(qū)積水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 防隔水煤柱受力特征及破壞機(jī)理、防隔水煤柱抗拉強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)3-807工作面回采后地質(zhì)情況，根據(jù)防隔水煤柱受力特點(diǎn)，分析防隔水煤柱的破壞機(jī)理，并在疏放水設(shè)計(jì)中提出應(yīng)對(duì)措施。

2.3 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)研究結(jié)果，確定最優(yōu)的沿空掘進(jìn)下山巷道方案。對(duì)疏放水效果及煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，保障3-8061工作面安全掘進(jìn)。

3 采空區(qū)積水分段疏放技術(shù)路線

技術(shù)路線主要包括理論分析、數(shù)值模擬以及工程應(yīng)用三大部分。技術(shù)路線示意圖如圖1所示：

圖1 技術(shù)路線圖

4 積水疏放實(shí)施方案

4.1 各階段鉆場(chǎng)及鉆孔設(shè)計(jì)

第一疏放鉆場(chǎng)在3-8061順槽掘進(jìn)至932 m處施工，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工4個(gè)疏放鉆孔。第一鉆場(chǎng)鉆孔布置圖如圖2所示：

圖2 第一鉆場(chǎng)鉆孔布置圖

第二疏放鉆場(chǎng)在3-8061順槽掘第二階段掘進(jìn)至Y2號(hào)測(cè)點(diǎn)向里80.8 m處施工，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工4個(gè)疏放鉆孔。第二鉆場(chǎng)鉆孔布置圖如圖3所示：

圖3 第二鉆場(chǎng)鉆孔布置圖

第三疏放鉆場(chǎng)在3-8061順槽第二階段掘進(jìn)至245 m處施工，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工5個(gè)疏放鉆孔。鉆場(chǎng)鉆孔布置如圖4所示：

圖4 鉆孔布置斷面圖

第四疏放鉆場(chǎng)在3-8061順槽第二階段掘進(jìn)至371 m處施工，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工5個(gè)疏放鉆孔。考慮到3-8063的掘進(jìn)施工，設(shè)計(jì)角度、方位必須進(jìn)行優(yōu)化，第三巷道位于3-8061順槽與3-8072順槽中間，順槽掘進(jìn)方位與3-8061順槽平行。

4.2 疏放鉆孔套管施工工藝

3-8061順槽放水孔施工使用ZDY2300LS煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)，鉆機(jī)最大鉆孔深度可達(dá)200 m，鉆桿φ73 mm，鉆桿每節(jié)長(zhǎng)度1.5 m，自開(kāi)孔向里10.5 m段采用133 mm鉆頭鉆進(jìn)，固接套管，套管口安裝閘閥，φ65 mm鉆頭用于打透放水孔，φ133 mm鉆頭用于擴(kuò)套管孔段。

套管孔徑為φ75 mm，無(wú)縫鋼管，每節(jié)套管長(zhǎng)度1 m，共固結(jié)10根套管，每2節(jié)套管通過(guò)內(nèi)絲連接。

首先用φ65 mm的鉆頭鉆進(jìn)10.5 m，然后用φ133 mm的鉆頭擴(kuò)孔，接著用水沖洗孔內(nèi)的煤巖粉，放進(jìn)套管，其中第10節(jié)套管焊接法蘭盤，孔口管外漏0.3 m，在其上焊接水壓表，用注漿泵注漿固結(jié)套管封孔注漿，待水泥漿凝固后，在外接φ75 mm閘閥換用φ65 mm的鉆頭鉆至孔口底，向孔內(nèi)壓水，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于0.4 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間不少于30 min，孔口管牢固不動(dòng)，周圍沒(méi)有滲漏水現(xiàn)象，說(shuō)明合乎要求，否則重新注漿加固。然后用φ65 mm的鉆頭鉆至老空區(qū)，拔出鉆桿，關(guān)閉閘閥，測(cè)水壓值，接通排水管路，打開(kāi)閘閥放水。

將孔口套管插入孔內(nèi)后，在孔口用水玻璃和水泥將孔口套管固定并封死，在管道上方另留一個(gè)小管，而后從孔口管內(nèi)向四周壓入水泥漿，開(kāi)始從小管跑出空氣和水，待跑出濃水泥漿時(shí)，將小管封死，繼續(xù)向孔口管內(nèi)壓入水泥漿，至一定壓力后停止注漿，關(guān)閉孔口管閘閥，待水泥漿凝固，如圖5所示：

圖5 套管注漿簡(jiǎn)圖

在鉆孔兩側(cè)不少于0.2 m的位置，沿鉆孔軸線方向，施工一組2個(gè)外八字錨桿，與鉆孔軸線夾角不小于10°，安裝好錨桿后與孔口管外端用鋼絲繩固定連接牢固。鉆孔放水結(jié)束后，對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿封孔。放水孔孔口管安全裝置如圖6所示：

圖6 孔口管安全裝置圖

5 排水設(shè)施

前期排水系統(tǒng)：在3-8062順槽1 062 m處臨時(shí)水倉(cāng)安設(shè)2臺(tái)MD85-45×6型離心泵，敷設(shè)2趟4寸排水管路，鉆孔與臨時(shí)水倉(cāng)之間通過(guò)軟管、4寸排水管路連接。后期排水系統(tǒng)：在3-8061順槽反掘工作面35 m處臨時(shí)水倉(cāng)安設(shè)2臺(tái)MD155-30×5型離心泵，敷設(shè)2趟6寸排水管路，鉆孔與臨時(shí)水倉(cāng)之間通過(guò)軟管連接。

第二、三、四鉆場(chǎng)施工前，在3-8061順槽最低點(diǎn)施工一處水倉(cāng)，待第一鉆場(chǎng)疏放完畢后，將原水倉(cāng)2臺(tái)水泵MD155-30×5型離心泵安裝至新施工的水倉(cāng)中，并接通2趟6寸排水管路。二、三、四鉆場(chǎng)疏放的積水通過(guò)水溝流入最低點(diǎn)的水倉(cāng)。放水期間每班安排專人對(duì)水泵、管路進(jìn)行維護(hù)，淤泥進(jìn)行清挖，排水路線：臨時(shí)水倉(cāng)→八采區(qū)水倉(cāng)→進(jìn)風(fēng)立井中央水倉(cāng)→地面污水處理廠

6 注意事項(xiàng)

6.1 鉆機(jī)運(yùn)輸注意事項(xiàng)

鉆機(jī)采用平板車進(jìn)行運(yùn)輸，裝車后鉆機(jī)及動(dòng)力設(shè)備等都必須安裝平穩(wěn)、牢固，鉆機(jī)立柱有防倒裝置，防止立柱在鉆進(jìn)過(guò)程中倒柱傷人或砸壞設(shè)備。液壓泵箱設(shè)備要適當(dāng)墊高以防水淹。

6.2 鉆機(jī)操作注意事項(xiàng)

鉆機(jī)不得在無(wú)人照看的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，在鉆進(jìn)中，手不得離開(kāi)給進(jìn)手把。鉆進(jìn)中，應(yīng)隨時(shí)注意壓力表情況，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即處理。各種液壓裝置工作壓力范圍按《鉆機(jī)說(shuō)明書》中規(guī)定執(zhí)行。運(yùn)轉(zhuǎn)中，經(jīng)常注意各運(yùn)動(dòng)部位有無(wú)異常的響聲和高溫，如有異常立即停鉆處理。在鉆進(jìn)中，因故停鉆時(shí)，應(yīng)設(shè)法將鉆具提出孔口，防止埋、燒鉆事故。下鉆前必須嚴(yán)格檢查鉆頭的鑲焊質(zhì)量，不合格者禁止使用。鉆頭離孔底一定距離時(shí)，應(yīng)中提前開(kāi)水，慢速掃孔,待鉆具掃到孔底，正常鉆進(jìn)后，再給予所需的壓力和鉆速，正常鉆進(jìn)時(shí),嚴(yán)禁無(wú)故提動(dòng)鉆具，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有異常時(shí)應(yīng)立即采取措施。擰卸鉆頭時(shí)，嚴(yán)防管鉗咬傷合金或夾扁鉆頭。嚴(yán)禁猛墩鉆具。禁止將鉆頭在地面上拖拉。下鉆速度要均勻，避免沖撞孔壁，鉆具下放遇阻時(shí)，應(yīng)立即提鉆排除故障。發(fā)生墩鉆或跑鉆事故，應(yīng)取出鉆具,檢查鉆頭。 在鉆進(jìn)中，認(rèn)真做好“三看”、“二聽(tīng)”、“一及時(shí)”，仔細(xì)判斷孔內(nèi)情況。（“三看”即看給進(jìn)壓力和進(jìn)尺速度，看泵壓表和孔口上返水情況，看水接頭情況；“二聽(tīng)”即聽(tīng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，聽(tīng)孔內(nèi)震動(dòng)聲；“一及時(shí)”即發(fā)現(xiàn)異狀及時(shí)處理）。

6.3 疏放水注意事項(xiàng)

3-807工作面采空區(qū)積水疏放由地測(cè)部具體負(fù)責(zé)，探放水隊(duì)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)施工，鉆孔標(biāo)定由地測(cè)部專業(yè)人員進(jìn)行標(biāo)定，鉆孔方位角、開(kāi)孔位置、高度、傾角必須按設(shè)計(jì)標(biāo)定。隊(duì)組人員在鉆孔鉆進(jìn)采空區(qū)后，配合探水隊(duì)人員回撤鉆桿、連接排水管路等工作。放水時(shí)，瓦斯檢查員要在現(xiàn)場(chǎng)檢查瓦斯、一氧化碳及硫化氫等有毒有害氣體。放水時(shí)，要安排專人監(jiān)測(cè)鉆孔出水情況，測(cè)點(diǎn)水量、水壓并做好記錄。放水過(guò)程中出現(xiàn)鉆孔堵塞現(xiàn)象要及時(shí)通知探放水隊(duì)，并安排人員采用專業(yè)工具對(duì)鉆孔進(jìn)行疏通，確保疏放效果。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析對(duì)比

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第八十二條要求，沿空掘進(jìn)的下山巷道超前疏放相鄰采空區(qū)積水的，在查明采空區(qū)積水范圍、積水標(biāo)高等情況后，可以實(shí)行限壓（水壓小于0.01 MPa）循環(huán)放水，但必須制定專門措施由煤礦總工程師審批。按本細(xì)則要求，將水頭標(biāo)高疏放至安全高度，需在3-8061順槽施工不少于61個(gè)疏放水鉆孔，單孔深度20 m，工程量1 220 m，施工天數(shù)61 d。施工分段疏放后，在3-8061順槽只需施工18個(gè)鉆孔，鉆孔深度60 m，工程量1 080 m，施工天數(shù)36 d，節(jié)約水倉(cāng)施工2處。

表1 疏放設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

8 總結(jié)

截止目前3-807工作面采空區(qū)積水疏放工作從2020年8月25日開(kāi)始，歷時(shí)9個(gè)月，各鉆場(chǎng)鉆孔已完成疏放任務(wù)且鉆孔已封堵，完成了階段性目標(biāo)。截止目前工作面采空區(qū)積水已累計(jì)疏放881 286 m3，日均放水2 176 m3，效果比較明顯，水位已下降至安全位置，達(dá)到安全生產(chǎn)要求。為正確指導(dǎo)生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，保證了3-8061順槽的安全掘進(jìn)，為礦井正常采掘銜接奠定了基礎(chǔ)。

采空區(qū)積水分段疏放技術(shù)項(xiàng)目以疏放3-807工作面采空區(qū)積水為試驗(yàn)工作面，合理的對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行分段，采用集中高壓放水，即保證放水鉆孔施工安全，又能快速的將積水疏放完畢。即安全可靠又能減少施工鉆孔，具有非常重要的研究意義。第四鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)優(yōu)化后，鉆孔可留作長(zhǎng)期觀測(cè)孔使用，即是疏放鉆孔又可分析監(jiān)測(cè)采空區(qū)積水變化情況，對(duì)3-8063順槽掘進(jìn)提供了安全保障。

3-807工作面采空區(qū)高水頭積水分段疏放技術(shù)研究與實(shí)踐，對(duì)其他礦井類似條件下的采空區(qū)積水疏放有一定的參考價(jià)值。采空區(qū)高水頭積水分段疏放技術(shù)成熟后，在全公司進(jìn)行推廣，形成疏放高水頭采空區(qū)積水施工工藝及相關(guān)安全技術(shù)措施，并且能夠培養(yǎng)一批疏放高水頭采空區(qū)積水技術(shù)人員及技術(shù)類工人。