沿空循環(huán)限壓放水技術(shù)實踐

牟海鵬 宋 坤 周法樂

（山東濟寧運河煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272055）

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

運河煤礦位于濟寧煤田唐口勘探區(qū)北部，為華北型全隱蔽石炭二疊紀(jì)含煤地層，開拓方式為一對立井開拓，開采方法為綜采及綜采放頂煤。礦井核定生產(chǎn)能力70 萬t/a，主采二疊系山西組3 煤層，煤層平均厚度6.15 m，礦井總體為一近南北走向的向斜構(gòu)造，全井田為一寬緩褶曲構(gòu)造，并發(fā)育著次一級小型褶曲及斷裂構(gòu)造，地層傾角一般5°～25°。井田西部發(fā)育有南張向斜，南張向斜軸向北北東，向南傾伏，受其控制7301、7302、7300 工作面東西向均呈現(xiàn)東西高、中部低的形態(tài)。即將開采7300工作面位于7301、7302 工作面采空區(qū)之間。各工作面布置如圖1。

圖1 7300 工作面采掘工程平面圖

2 采空區(qū)積水水害因素分析

7301 工作面于2014 年8 月—2015 年4 月開采完畢，采空區(qū)面積25 305 m2，預(yù)計積水量63 549 m3，積水上下限標(biāo)高-370～-393 m。

7302 工 作 面 于2014 年3 月—2014 年10 月 開采完畢，采空區(qū)面積49 918 m2，預(yù)計積水量89 852 m3，積水上下限標(biāo)高-390～-432 m。

根據(jù)7301、7302 工作面回采期間涌水量數(shù)據(jù)分析，兩工作面采空區(qū)內(nèi)存在5～10 m3/h 補給來源，采空區(qū)內(nèi)積水范圍較大。7300 工作面皮帶順槽、軌道順槽均存在沿空布置區(qū)段，沿空煤柱寬度均為5 m，沿空掘進(jìn)巷道最低點均進(jìn)入相鄰采空區(qū)積水標(biāo)高20 m 以上。7300 工作面掘進(jìn)期間受兩側(cè)采空區(qū)積水威脅。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第八十二條：“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，可以實行限壓循環(huán)放水，但必須制定專門措施由煤礦總工程師審批”。

7300 工作面與7301、7302 工作面近平行布置，兩側(cè)均存在沿空掘進(jìn)工程區(qū)段，自東向西掘進(jìn)，按照采空區(qū)積水分布特征“中部低，東西高”，采用循環(huán)限壓方式逐步疏放。

3 采空區(qū)水害防治技術(shù)[1-3]

3.1 采空區(qū)積水水位精準(zhǔn)探查

為準(zhǔn)確查明采空區(qū)內(nèi)積水上限標(biāo)高，7300 軌道順槽、7300 皮帶順槽自巷道掘進(jìn)至采空區(qū)積水警戒線處開始，巷道標(biāo)高每降低1 m 施工1 處探測鉆孔，鉆孔開孔位置均為采空區(qū)底板0～0.5 m，鉆孔水平鉆進(jìn)，設(shè)計長10 m。如圖2、圖3。

圖2 7300 皮順探查孔布置方案

圖3 7300 軌順探查孔布置方案

由于進(jìn)入探水線初期，7300 皮帶順槽內(nèi)煤層傾角為北傾15°，采空區(qū)標(biāo)高較對應(yīng)位置巷道標(biāo)高高約1.5～2.0 m，驗證鉆孔方位與煤層走向一致，超前探查前方對應(yīng)水平位置采空區(qū)積水情況。根據(jù)探查位置煤層傾角變化動態(tài)調(diào)整超前角度。

7300 軌道順槽與北部采空區(qū)相對標(biāo)高基本持平，7300 軌道順槽內(nèi)探查鉆孔方位為垂直7302 采空區(qū)邊界施工。

鉆孔首次揭露出水現(xiàn)象后，退后至相鄰兩個鉆孔中點位置補充施工1 個探測鉆孔，以進(jìn)一步提高積水水位控制精度。鉆孔揭露采空區(qū)涌水后，限距掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)不再施工探水鉆孔，改為施工放水效果檢驗孔。

經(jīng)過探查，準(zhǔn)確查明兩側(cè)采空區(qū)積水上限位置，并按照實際探查成果對兩處采空區(qū)積水線位置、積水范圍及積水量修訂，重新劃定采空區(qū)積水三線。

3.2 采空區(qū)積水疏放

（1）查明采空區(qū)積水標(biāo)高后，應(yīng)嚴(yán)格控制迎頭標(biāo)高，并按照“限距掘進(jìn)→停掘、安裝排水系統(tǒng)→放水→效果檢驗→限距掘進(jìn)”的循環(huán)組織生產(chǎn)，直至采空區(qū)積水疏放至掘進(jìn)巷道施工標(biāo)高最低處。

（2）水壓控制要求：每限掘距離由巷道迎頭最低點與采空區(qū)積水水位高差控制，保證巷道迎頭最低點處采空區(qū)水壓小于0.01 MPa，即巷道迎頭最低點標(biāo)高與采空區(qū)積水水面標(biāo)高高差小于1.0 m，掘進(jìn)期間每班標(biāo)校巷道底板與采空區(qū)積水水位高差。水壓驗證采用U 型管方法進(jìn)行，首先在揭露涌水的鉆孔安裝水管，并將水管出水口逐漸抬高，直到水管內(nèi)水面靜止，實測水管內(nèi)水面與巷道迎頭最低處高差，該數(shù)據(jù)即為迎頭所承受水壓。

（3）巷道停掘后應(yīng)在迎頭處施工臨時水倉1處，水倉規(guī)格為凈長×凈寬×凈深=4.0 m×4.0 m×1.5 m，水倉在巷道迎頭居中布置。

（4）水倉施工完畢后安裝排水系統(tǒng)，要求在用及備用排水系統(tǒng)能力均不小于100 m3/h，檢修水泵排水能力不得小于在用排水泵能力的75%。排水系統(tǒng)實現(xiàn)雙回路供電，獨立排水管路，備用排水系統(tǒng)具備獨立性，可直接進(jìn)行排水。

（5）排水系統(tǒng)安裝完畢后，施工1～4 個放水孔，鉆孔開孔位置位于巷道迎頭位置，每個鉆孔間隔為0.8 m，距離巷道底板1～1.5 m。7300 皮帶順槽鉆孔方位按照巷道內(nèi)左右方向煤層傾角確定，煤層傾角大于6°時，鉆孔方位按煤層走向方位布置；煤層傾角小于6°時垂直采空區(qū)邊界布置。7300 軌道順槽按照垂直采空區(qū)邊界布置，鉆孔水平鉆進(jìn)，鉆孔設(shè)計長度15 m（鉆孔進(jìn)入采空區(qū)距離10 m）。

單孔出水量估算參照公式（1）：

式中：Q為單孔出水量，m3/s；C為流量系數(shù)，0.6～0.62；D為鉆孔孔徑，取0.075 m；g為重力加速度，9.81 m/s2；H為鉆孔出水口處的水頭高度，取最大值1.0 m；λ為沿程阻力系數(shù)，取值標(biāo)準(zhǔn)見表1，取0.04；L為鉆孔長度，取15 m。

表1 沿程阻力系數(shù)表

代入數(shù)據(jù)計算可得Q=0.006 5 m3/s=23.4 m3/h，即單孔預(yù)計最大涌水量為23.4 m3/h，3～4 個鉆孔同時放水預(yù)計最大涌水量為70～75 m3/h。

（6）放水鉆孔要加強疏通維護(hù)，現(xiàn)場應(yīng)維持放水鉆孔涌水量（含巷道涌水、防塵用水）50 m3/h以上，涌水量小于50 m3/h 時應(yīng)進(jìn)行鉆孔疏通。當(dāng)疏通效果不明顯時應(yīng)及時補打鉆孔，盡可能提高放水效率。放水期間每班做好涌水量觀測統(tǒng)計，每班觀測涌水量次數(shù)不少于3次，觀測方法采用容積法，具體如下：

記錄觀測時間S（s），水位升高H（m），涌水量計算公式（2）：

（7）采空區(qū)積水疏放至鉆孔標(biāo)高以下后孔內(nèi)不再出水，屆時需按照探水孔施工方法在標(biāo)高最低的放水孔一側(cè)0.5 m 范圍內(nèi)施工驗證鉆孔一處，確認(rèn)采空區(qū)積水已疏放至設(shè)計標(biāo)高后，采用粘土及錨固劑將放水孔封閉，封閉長度不小于3 m。

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔施工選用SGZ-IB150 型鉆機配合直徑133 mm 鉆頭，首次開孔2.5 m，孔口安裝長度2.0 m、直徑108 mm 無縫鋼管作為孔口管。每個鉆孔內(nèi)安裝的孔口管均用兩根錨桿固定，孔口管上方和煤巖壁間埋設(shè)注漿管路導(dǎo)氣管，用水泥加樹脂錨固劑封堵，自孔口管內(nèi)壓注堵漏王漿液至導(dǎo)氣管反漿?？卓诠苈裨O(shè)合格后，裝上控水大閥門，然后用Φ75 mm 鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計孔深。如圖4。

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 采空區(qū)水源補給驗證及恢復(fù)掘進(jìn)施工標(biāo)準(zhǔn)

由于采空區(qū)內(nèi)可能存在水源補給，第一次放水時應(yīng)準(zhǔn)確控制采空區(qū)補給水量，以便于確定采空區(qū)水位降至設(shè)計放水位置，明確恢復(fù)掘進(jìn)施工標(biāo)準(zhǔn)。在第一階段放水后期，鉆孔涌水量經(jīng)過反復(fù)疏通后沒有明顯增加，鉆孔水位保持穩(wěn)定，根據(jù)鉆孔涌水量可以準(zhǔn)確得出采空區(qū)補給水量。經(jīng)過驗證，7301采空區(qū)補給水量為5 m3/h，7302 采空區(qū)補給水量為10 m3/h。

4 采空區(qū)積水疏放效果驗證

按照設(shè)計將采空區(qū)積水疏放至最低點后采用鉆探、物探手段對放水效果進(jìn)行驗證，探測采用瞬變電磁法。根據(jù)工作面巷道實際情況，在7300 皮帶順槽及軌道順槽放水區(qū)域最低點按照扇形觀測系統(tǒng)布置，以面向最低點中心為原點，沿巷道左側(cè)、外幫和右側(cè)實施Mtem 數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過探測，7301 采空區(qū)內(nèi)無低阻區(qū)，7302 采空區(qū)-378 m 標(biāo)高以上無低阻區(qū)，與驗證鉆孔施工揭露數(shù)據(jù)一致。7300 皮帶順槽放水效果驗證順層方向橫向剖面視電阻率成果圖如圖5。

圖5 7300 皮帶順槽放水效果驗證順層方向橫向剖面視電阻率成果圖

5 結(jié)語

采空區(qū)積水探測疏放工程直接關(guān)系巷道掘進(jìn)安全，沿空循環(huán)限壓放水工藝避免了施工專用泄水巷，減少了巷道掘進(jìn)尺。在實際應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)做到采空區(qū)積水準(zhǔn)確探查，嚴(yán)格控制水壓不大于0.01 MPa；加強現(xiàn)場排水系統(tǒng)建設(shè)，保證排水系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)多回路排水并行，強化排水保障；孔口管安裝牢固可靠，確保放水量能夠有效控制；放水效果檢驗要采用物探、鉆探等多種手段進(jìn)行，保證采空區(qū)積水疏干放凈，徹底消除水害威脅。