兩軟一硬煤層“三沿”開采老空水害防治綜合技術實施

劉圣潔

（河南永錦能源有限公司，河南 禹州 461670）

1 礦井及工作面概況

云廟礦位于云山井田中部，屬煤與瓦斯突出礦井，煤層自燃傾向等級為Ⅲ類。礦區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)為走向北東，傾向南東的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為走向正斷層，淺部的花巖斷層是井田的上部邊界，深部下白斷層是井田的下部邊界。礦區(qū)地層為華北地臺沉積地層，主要開采二1煤層，屬貧瘦煤，煤層厚度0.5～11 m，平均厚度3.5 m。礦井水文地質(zhì)條件中等，正常涌水量80 m3/h，最大涌水量120 m3/h。

礦井備采工作面上順槽位于-60 m水平23采區(qū)西翼，地面標高+310～+430 m，工作面標高+75.235～+95.987 m，工作面設計長度1 155 m，工程量14 462 m3。該巷道上部已回采工作面采空區(qū)，下部為備采工作面，西為礦井3條下山，東部為礦井邊界。工作面設計采用無煤柱沿空掘巷技術施工，巷道坡度設計沿煤層頂板掘進，煤層煤厚大于3.5 m時，采用U型鋼棚支護，煤層厚度小于3.5 m時，采用錨網(wǎng)支護，主要用于備采工作面的瓦斯治理及運輸、通風、行人，服務年限約3 a，2017年4月開工，2017年12月份竣工。

2 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征研究

2.1 地質(zhì)情況分析

根據(jù)實際揭露地質(zhì)情況，工作面煤（巖）層產(chǎn)狀走向NE35°～42°，傾向SE55°～48°，傾角11°～30°，平均傾角17°。工作面內(nèi)小構(gòu)造較發(fā)育，工作面掘進期間共揭露斷層3條，落差最小3.5 m，最大6.4 m，均不含水、不導水（具體參數(shù)見表1）。根據(jù)三維地震勘探資料分析，工作面內(nèi)無巖漿巖、沖刷帶、陷落柱。

2.2 水文地質(zhì)情況分析

1）礦井主要開采煤層為二疊系山西組二1煤層，屬于兩軟一硬煤層（即煤層軟、底板軟，頂板硬），由于礦井開采方式為由淺部向深部進行，導致掘進下個采面的回風順槽期間受上個采面的采空區(qū)積水的威脅，根據(jù)工作面實際揭露的水文地質(zhì)情況，備采面上順槽掘進至通尺168～245 m和475～740 m，巷道頂板施工錨桿、錨索時有頂板“滴、淋”水，水量0～2.0 m3/h。經(jīng)分析判定23300采煤工作面采空區(qū)積水面積為12 958 m2，積水量7 449 m3，積水區(qū)水頭高度為22.5 m（積水標高為+67.9～+90.4 m），最大水頭壓力為0.225 MPa[1]。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2）掘進期間主要水害影響分析。

二1煤層頂板砂巖裂隙水：頂板砂巖裂隙水為工作面主要充水水源之一，二1煤層直接頂板砂巖裂隙含水層富水性弱，涌水量較小，對工作面掘進影響較小。

太原組上段巖溶裂隙水：是二1煤層底板直接充水含水層，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，含水性亦極不均一，太原組上段巖溶裂隙水以靜儲水量為主，水量消減快、持續(xù)時間短，對工作面掘進影響小。

太原組下段巖溶裂隙水：為二1煤層底板間接充水含水層，淺部巖溶裂隙發(fā)育，富水性中等，由于太原組下段含水層出露面積小，接受大氣降水補給有限。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中附錄四中突水系數(shù)計算公式：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力,MPa；0 MPa（太原組下段灰?guī)r水頭標高取+32 m）；M為底板隔水層厚度（太原組下段灰?guī)r隔水層厚度取45.9 m），m。

則Tt=0 MPa/m＜0.06 MPa/m。（Tt是指太原組下段灰?guī)r含水層突水系數(shù)）[2]。

寒武系巖溶裂隙水：為二1煤層底板間接充水含水層，巖溶裂隙、溶洞發(fā)育，富水性不均一。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中附錄四中突水系數(shù)計算公式；

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力,MPa；0 MPa（寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r含水層水頭標高取+40 m）；M為底板隔水層厚度（寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r含水層厚度取65.5 m），m。

則TH=0 MPa/m＜0.06 MPa/m。（TH是指寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r含水層突水系數(shù)）

斷層水水害分析：根據(jù)巷道實揭及三維地震勘探資料分析，工作面內(nèi)發(fā)育3條斷層，斷層落差0～6.4 m，斷層均不含水、不導水，因此工作面掘進期間不受斷層水影響[3]。

綜合上述，工作面掘進期間不受寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r含水層威脅和石炭系上統(tǒng)太原組下段灰?guī)r含水層威脅，工作面掘進主要受老空水、二1煤層頂板砂巖裂隙水影響。預計工作面掘進期間正常涌水量10～30 m3/h，最大涌水量100 m3/h。

3 綜合防治技術

以備采工作面上順槽沿上部已回采老空掘巷工程為背景，重點研究無煤柱沿空掘巷期間工作面受上部老空水水害威脅下，礦井自主探索無煤柱沿空掘巷綜合防治水技術，通過探索新的防治水技術，解決無煤柱沿空掘巷施工期間工作面受上部老空水威脅這一技術難題，為工作面無煤柱沿空掘巷的安全施工提供技術保障,主要從6個方面研究無煤柱沿空掘巷綜合防治水關鍵技術：①沿煤層頂板和無煤柱沿空掘巷技術；②追排水技術；③長、短鉆孔驗證技術；④匯水硐室排水技術；⑤“V型”巷道應急排水系統(tǒng)技術；⑥底板巖巷穿層鉆孔超前放水技術。

4 現(xiàn)場技術應用

4.1 沿煤層頂板和無煤柱沿空掘巷技術

隨著煤炭生產(chǎn)新工藝的不斷發(fā)展，沿空掘巷工藝在國內(nèi)煤炭行業(yè)逐漸推廣應用，沿空掘巷可以實現(xiàn)無煤柱開采，減少了資源浪費，提高礦井煤炭資料回收率。工作面順槽無煤柱沿空掘巷巷道坡度設計沿煤層頂板掘進，煤層煤厚大于3.5 m時，采用U型鋼棚支護，煤層厚度小于3.5 m時，采用錨網(wǎng)支護；無煤柱沿空掘巷，始終揭露相鄰已回采工作面老空，保證老空內(nèi)積水自然排泄的條件，防止不規(guī)則老空區(qū)二次積水情況發(fā)生；進一步掌握老空區(qū)情況，有利于現(xiàn)場作業(yè)安全；設計沿煤層頂板掘進，一是工作面沿走向布置，巷道整體坡度起伏變化不大，因煤層頂板堅硬，穩(wěn)定性好，易于支護，且巷有利于工作面排水系統(tǒng)的建立；二是可以直接揭露煤巖層情況，掌握最準確的地質(zhì)資料，為長短鉆孔驗證角度設計提供基礎數(shù)據(jù)支持；三是可以與上部老空形成頂板對接關系，避免待掘巷道與老空區(qū)頂板形成高差，造成頂水作業(yè)[4]。

4.2 追排水技術

現(xiàn)場使用與預計控制疏放老空區(qū)積水量相匹配的排水泵，并連接回采前期在老空區(qū)內(nèi)已埋設的排水管路對老空區(qū)內(nèi)補給動水（水量10 m3/h）進行疏排，排水管路保持與工作面迎頭一定距離，隨巷道掘進而延長，避免采空區(qū)已經(jīng)放水鉆孔疏放的積水后形成二次積水區(qū)域。

4.3 長短鉆孔驗證技術

長短鉆孔驗證技術是為保證巷道安全快速掘進，工作面掘進前在與老空接觸的一側(cè)向前方設計一長一短2種鉆孔進行探查（具體參數(shù)如圖1、圖2、圖3所示），以進入老空1 m為準（具體參數(shù)見表2所示），驗證前方80 m的老空情況，保留30 m的超前距；在允許掘進范圍內(nèi)，隨著順槽掘進向斜前方設計短探驗證孔，保證超前10 m，加以二次驗證，確保無殘存積水[5]。

圖1 探放水鉆孔設計圖

表2 探放水鉆孔參數(shù)表

圖2 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)設計圖

圖3 探放水鉆孔斷面布置圖

4.4 匯水硐室排水技術

備采工作面順槽掘進時標高每下降1.2 m在距工作面順槽迎頭5 m老空側(cè)施工一個匯水硐室與采空區(qū)聯(lián)通（順槽上山掘進或水平掘進時不做匯水硐室）。硐室內(nèi)挖設一個長1.5 m×寬1.5 m×高0.6 m的匯水硐室，匯水硐室因在采空區(qū)內(nèi)故需進行加強支護，使用錨網(wǎng)和塑編網(wǎng)進行加固，防止積水時間長損壞匯水硐室頂幫。匯水硐室內(nèi)安放2臺排水能力不低于60 m3/h的排水泵，水泵排水管接到順槽內(nèi)排水管路，匯水硐室匯集采空區(qū)內(nèi)動水并進行疏放，防止采空區(qū)積水標高高于工作面順槽標高[6]，形成水害隱患，對施工帶來影響。

4.5 “V型”巷道應急排水系統(tǒng)技術

工作面順槽掘進期間每一處“V”型最低點位置施工永久排水陣地[7]，水窩進水口處挖設沉淀池，防止煤泥過多損壞水泵，水窩內(nèi)安裝排水能力60 m3/h和160 m3/h排水泵各1臺，用于日常排水；另外根據(jù)巷道施工坡度變化再每一處“V”型巷道低點向外高于最低點底板1.2 m位置設置一處應急排水點，有2臺排水能力合計不低于200 m3/h的排水泵。每臺水泵使用倒鏈吊掛，當采空區(qū)積水流出夾帶煤泥、碎石等雜物將水窩淤積，排水泵效率下降時，順槽內(nèi)高點的應急排水點排水雙泵起到應急排水效果，為防范水害事故起到壁壘作用。

4.6 底板巖巷穿層鉆孔超前疏放水

1）煤與瓦斯突出礦井備采工作面在沿煤層掘進巷道未施工前期，需按照設計優(yōu)先施工底板瓦斯抽放巖石巷道來治理煤層瓦斯，從而達到消突目的，根據(jù)工作面這一設計情況，從水害防治角度充分發(fā)揮底板巖巷作用，在瓦斯抽放消突利用的基礎上，使用探放水鉆機對相鄰已回采工作面上部積水區(qū)域施工穿層探放水鉆孔[8]，而且進行針對性探放，巖巷施工探水鉆孔不僅更安全，而且?guī)r石鉆孔能夠充分防止塌孔堵孔，更保證放水效果，從而降低外部順槽沿空掘進期間老空水水頭高度和水頭壓力[9]。

2）工作面形成開始回采至工作面回采結(jié)束，期間底板巖巷已施工的探放水孔不但能夠監(jiān)測已放水老空位置是否存在二次積水[10]，一旦積水還能夠發(fā)揮其持續(xù)疏放老空水的作用，防止二次積水對采煤工作面回采造成安全隱患。

圖4 穿層放水孔剖面圖

5 實施效果

1）通過該技術的實施，共施工了13輪探查鉆孔施工，累計施工鉆孔34個，鉆探進尺1 809 m，疏放老空水量27 500 m3，確保巷道安全掘進1 155 m，消除了無煤柱沿空掘巷期間的水害威脅。

2）綜合防治技術應用于礦井備采面上順槽無煤柱沿空掘巷，確保巷道安全掘進1 155 m，根本上消除了老空積水對工作面安全生產(chǎn)帶來的隱患，同時能多采出原采煤方法中順槽與順槽之間留設的安全煤柱3.31萬t，統(tǒng)計該技術的成功實施在提高人員探放水作業(yè)安全系數(shù)、疏干老空積水、提高煤炭資源回收率方面作出一定貢獻，技術實施后實現(xiàn)多回收煤炭3.31萬t，直接經(jīng)濟效益1 747.68萬元。

3）備采工作面順槽掘進期間和工作面形成回采期間對老空水的穩(wěn)定疏放，保證了巷道的快速掘進和工作面安全回采，解決礦井的采掘接替緊張創(chuàng)造了條件。

4）同時有效解決了采空區(qū)瓦斯及其他有害氣體大量集聚可能突然溢出的問題。

6 結(jié)論

通過采取“沿煤層頂板掘進+無煤柱沿空掘進+V型巷道匯水硐室追排水+長、短鉆孔驗證”綜合治理技術的成功實施，從根本上消除了老空水水害隱患。另外，該技術的成功應用，將會形成適合類似該礦井地質(zhì)條件下，布置合理的沿空掘巷綜采面的防治水管理技術參數(shù)提供依據(jù)，也為推動礦井“三沿”開采水害防治技術的發(fā)展提供了技術和經(jīng)驗的參考，將對礦井產(chǎn)生長遠的經(jīng)濟和社會效益。