沿空下山掘進水害防治技術實踐

黎偉明，王亞莉

(甘肅靖遠煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730910)

紅會礦區(qū)位于靖遠煤田東南端，毗鄰大寶礦區(qū)，水文地質條件較為復雜。區(qū)內共有五個含水層，自上而下為第四系洪積潛水層、中侏羅統(tǒng)新河組含水層、煤層頂板含水層、一層煤底板含水層、煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層五個含水層，煤層頂板含水層為主要充水含水層，巖性為砂巖，厚度29.9 m.通過開采實踐表明[1],受采動影響，煤層上覆巖層發(fā)生斷裂，導水裂隙帶高度達到中侏羅統(tǒng)新河組含水層，形成導水通道，造成采空區(qū)內存有大量的積水且一直有動態(tài)水補給。隨著開采水平的延伸，采空區(qū)積水給傾斜下方掘進帶來重大水災隱患。紅會一礦通過長期的摸索和實踐，形成一套沿空下山掘進水害防治技術，能夠有效地緩解礦井采掘接替緊張，提高資源回收率，已在七采區(qū)1704工作面及其他區(qū)域得到應用。

1 工程背景

1.1 工程概況

紅會一礦1704工作面位于七采區(qū)東南部，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)(J2).煤層賦存趨勢東南較低北部較高，煤層結構復雜，煤層底板以上2.0～2.5 m處發(fā)育一層夾矸，巖性為粉砂質泥巖，厚度在0.1～0.4 m之間。1712、1710、1708、1706、1704工作面由西向東呈臺階式布置，1704工作面位于最低處，該工作面回風巷設計736.0 m，走向掘進坡度-2°～-8°，平均-6°，傾斜上方為1706工作面采空區(qū)。1704工作面布置平面示意如圖1所示。

1.2 相鄰采空區(qū)積水情況

1706工作面采空區(qū)積水分布及積水情況清楚，積水范圍根據(jù)現(xiàn)機道密閉出水點圈定的積水區(qū)域面積為117 000 m2，積水標高+1 404.2～+1 363.4 m,采空區(qū)積水量按照公式(1)確定[2]：

圖1 1704工作面布置平面示意

(1)

式中：Q為采空區(qū)積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)(0.25～0.5)，取0.4；M為采厚，取平均采厚8.3 m；F為采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α為煤層傾角,取平均傾角6°.

初步估算出1706綜放工作面采空區(qū)積水約39.1萬m3.若1706工作面水患不消除，1704工作面被迫劃為緩采區(qū)甚至禁采區(qū)[2]，勢必嚴重影響礦井正常采掘接續(xù)。

2 防治水工程施工方案

2.1 煤柱留設方案

由1.2節(jié)可知，1706工作面存在大量的采空區(qū)積水，為了確保1704工作面回風巷安全掘進，根據(jù)《煤礦防治水細則》的規(guī)定，必須在1704工作面回風巷留設合理的防隔水煤柱。丁永紅等[3]通過對紅會一礦1715工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性研究，計算分析出窄小煤柱留設寬度為10.0 m.考慮到1704回風巷傾斜上方承壓大量積水，利用FLAC3D有限差分軟件對1704回風巷建立數(shù)值模型，系統(tǒng)分析此段巷道承壓的分布和巷道變形規(guī)律，并對巷道的穩(wěn)定性進行評價，為巷道的煤柱留設和支護方案設計提供重要依據(jù)。

本次模擬以紅會一礦實測的巖層參數(shù)為基礎，對紅會一礦1706回風巷全煤巷道段建立數(shù)值計算模型。每個網格代表的尺寸按照1.5 m×1.5 m進行模擬，由圖2可知，在巷道開挖后未支護前，塑性區(qū)[4]范圍比較大，達到15.0 m，右邊和鄰近巷道的塑性區(qū)連接起來，形成了一個更大的塑性區(qū)；在巷道表面，直墻中段、頂板中段以及底板中段的的塑性區(qū)比較明顯。

圖2 支護前塑性區(qū)分布圖

因此，根據(jù)分析結果，1704工作面回風巷與1706工作面煤柱寬度按照15.0 m留設。防隔水煤柱留設的經驗公式(2)得出[5]：

(2)

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數(shù)，取3；M為煤層厚度，取8.3 m；P為水頭壓力，取0.41 MPa;KP為煤的抗拉強度，取1.42 MPa.

計算出防隔水煤柱為11.6 m.因此，1704回風巷與1706采空區(qū)留設的防隔水煤柱，滿足防隔水能力。

2.2 巷道支護方案

巷道采用錨網索支護。巷道幫、頂部均選用D22 mm×2 600 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，錨桿配套使用1支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑，錨桿均按矩形布置，錨桿間排距為700 m×700 mm.為了加強巷道承壓能力，要求按1.4 m排距在巷道中心、中心線以右1 m處打注2根D17.8 mm×7 000 mm樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用3支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑，以及在巷道底板以上1.5 m處打注1根D17.8 mm×4 000 mm的樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用2支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑?；仫L巷支護示意如圖3所示。

通過軟件模擬分析(如圖4所示)，在支護后，有效地控制了巷道圍巖的塑性區(qū)，使得塑性區(qū)左右只有4.0 m，而且使得此巷道的塑性區(qū)沒有與鄰近巷道的塑性區(qū)相連；在巷道表面，主要以兩幫和底板變形為主。因此，采用錨桿(索)、錨注聯(lián)合支護可以控制巷道周圍圍巖以及巷道表面位移，有效增加巷道的承壓相鄰采空區(qū)積水能力。

圖3 巷道支護示意(mm)

圖4 支護后塑性區(qū)分布圖

2.3 確定允許掘進安全距離

1706工作面采空區(qū)積水范圍、積水標高等情況清楚，根據(jù)《煤礦防治水細則》有關規(guī)定，1704回風巷可以實行限壓(水壓小于0.01 MPa)循環(huán)放水。1704回風巷掘進安全距離根據(jù)分階段探放水孔水壓值、水頭標高和走向煤層掘進巷道變化情況確定。

1) 鉆孔布置。由1706工作面機道密閉處脫水點可確定1706工作面采空區(qū)積水線。根據(jù)1704工作面采掘現(xiàn)狀，從已掌握的積水線開始，根據(jù)探水點的標高和采空區(qū)積水點的位置，分別在回風巷、中間巷、二號爆破巷采用“DDDC”的方法即“探放水鉆孔設計-鉆孔施工-疏放水-效果驗證”，直至1706采空區(qū)積水疏放放凈。

2) 礦用側向電阻率視頻成像測井技術應用。礦用側向電阻率視頻成像測井儀探測時[6]，設置相關的工程參數(shù)和測井參數(shù)，能夠快速一次完成測斜(鉆孔方位、傾斜度)、鉆孔深度數(shù)據(jù)采集。然后通過數(shù)據(jù)分析，自動生成鉆孔定向剖面圖、鉆孔平面軌跡圖進行CAD圖形輸出。

在各階段疏放水期間，對探放1706采空區(qū)積水鉆孔水壓和出水量變化情況持續(xù)監(jiān)測，根據(jù)安裝在鉆孔孔口水壓表，當水壓值無壓或微壓時，利用礦用側向電阻率視頻成像測井儀收集鉆孔的信息，通過數(shù)據(jù)處理后生成鉆孔軌跡和視頻成像，確定1706采空區(qū)積水水位。1704工作面回風巷相鄰兩階段允許掘進對應1706采空區(qū)水位疏降高差值，通過公式P=ρgh可以得出，兩個階段允許掘進水位疏降高差值不大于1.0 m.

式中：P為壓強，取0.01 Pa；ρ為密度，取1 000 kg/m3；g為重力加速度， 取9.8 N/kg；h為深度，m.

通過公式S=h/sina(a為掘進坡度正值)，計算出每次允許掘進的工程量。

2.4 排水方案

經計算，1704回風巷探放水預計單孔最大出水量約63.6 m3/h.水泵和排水管路按70 m3/h的涌水量進行選型，在1704工作面回風巷水倉未形成之前，在臨時排水點分別安設備用BQW40-100-25型潛水泵各1臺，選用兩趟排水管路,沿1704工作面回風巷排至1706工作面機道口，沿水溝自流至七采區(qū)水倉。在1704工作面回風巷水倉形成后，在水泵房安設2臺MD280-43×3型水泵(1臺備用)，敷設D219 mm排水管路一趟,水流進入水倉，再由回風巷水倉集中排放至1706綜放工作面機道口。

向1706綜放工作面采空區(qū)施工探放水孔，在孔口上必須安裝止水套管和控制閘閥，以便控制鉆孔出水量，將水量控制在排水能力之內。

3 實施效果

1704工作面回風巷從確定的探水線位置開始，截止到目前共設計并施工了探放水鉆孔5組，21個孔，進尺1 236 m，探放1706工作面采空區(qū)積水17.3萬m3.同時在1704工作面中間巷、2號爆破巷施工探放水鉆孔對1706工作面采空區(qū)積水進行疏放，施工探放水鉆孔3組，17個孔，進尺1 710 m，探放1706工作面采空區(qū)積水23.0萬m3.

通過礦用側向電阻率視頻成像測井儀分析，1706工作面采空區(qū)已無大量的積水，且1704回風巷驗證探孔已施工至七采區(qū)南部向斜軸部(1706采空區(qū)積水最低處)區(qū)域。

紅會一礦通過制定1704回風巷沿空下山掘進水害防治技術方案，1706工作面采空區(qū)積水得到有效的疏放，經過礦用側向電阻率視頻成像測井驗證達到了對采空區(qū)積水降壓疏干的目的，效果顯著，實現(xiàn)了1706工作面回風巷掘進736 m，確保了施工安全。

4 結 語

1) 1704工作面回風巷實施限壓循環(huán)放水，設計并施工了探放水鉆孔8組，38個孔，進尺2 946 m，探放1706工作面采空區(qū)積水40.3萬m3.實踐證明限壓循環(huán)放水完全可行，效果顯著，有效地解除了采空區(qū)水害隱患。

2) 根據(jù)《煤礦防治水細則》有關規(guī)定，防隔水煤柱的尺寸要求不得小于20 m.通過制定水害防治方案，減小了煤柱的留設寬度，增加了回收煤炭資源約4.12萬t，根據(jù)當?shù)?021年當?shù)孛禾科骄鶅r格計算，創(chuàng)造直接經濟效益約3 296.0萬元。

3) 根據(jù)統(tǒng)計資料結合目前鉆孔出水情況，采空區(qū)仍有30 m3/h左右的補給水量。經計算，頂板含水層滲透系數(shù)為6.804×10-3m/d,為紅會一礦七采區(qū)及其他區(qū)域水文地質的研究提供可靠的參數(shù)。

4) 1704工作面回風巷掘進期間嚴格執(zhí)行水害防治方案，未發(fā)生任何水害事故，施工工期245 d，提前25 d，施工安全得到了保障。