云岡煤礦老空水探放工藝分析研究

王 巖

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037000）

通過(guò)對(duì)老空水的探放，消除老空水害對(duì)采掘工作面的威脅，合理簡(jiǎn)單的探放水方法對(duì)煤礦提高經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井及盤區(qū)水文地質(zhì)條件

云岡井田內(nèi)主要含水層有4 個(gè)，分別為寒武系石灰?guī)r含水層、侏羅系中統(tǒng)云岡組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)大同組砂巖裂隙含水層、第四系沖積——洪積層含水層[1]。

寒武系石灰?guī)r含水層：根據(jù)《云岡礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》解釋，寒武灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育，含水性微弱，寒武系巖溶水水位標(biāo)高800～810 m，與12#煤層間距約120 m，無(wú)直接導(dǎo)水通道，12#煤層不受寒武系巖溶裂隙水影響，不存在帶壓開(kāi)采。侏羅系中統(tǒng)大同組、云岡組砂巖裂隙含水層：根據(jù)《云岡礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》解釋，侏羅系中統(tǒng)大同組、云岡組砂巖裂隙含水層富水性弱，且經(jīng)過(guò)數(shù)十年的煤礦開(kāi)采，含水層地下水被疏排嚴(yán)重，不會(huì)對(duì)12#煤層開(kāi)采造成影響。

12#煤層距上覆8#煤層間距平均為43.24 m，距上覆7#煤層間距平均為73.83 m，距上覆3#煤層間距平均為117.43 m。根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件分析，礦井406盤區(qū)上覆各層采空區(qū)間存在水力聯(lián)系，由上覆煤層底板等高線分析，該區(qū)域整體北高南低，上覆各層采空區(qū)積水通過(guò)塌落、裂隙帶等可導(dǎo)入12#層406盤區(qū)采空區(qū)內(nèi)。

2 采空區(qū)積水分析

2.1 8611工作面及南部8613工作面分析

12#煤層406 盤區(qū)8611 工作面傾向長(zhǎng)707 m、走向長(zhǎng)140 m，采用綜合機(jī)械化傾向長(zhǎng)壁全部垮落采煤法，工作面南北布置，北高南低，平均煤厚為4.75 m，標(biāo)高范圍為980～945 m，落差35 m，工作面為2007年回采。

12#煤層406 盤區(qū)8613 工作面走向長(zhǎng)1 138 m、傾向長(zhǎng)149.5 m，采用綜合機(jī)械化傾向長(zhǎng)壁全部垮落采煤法，工作面東西布置，北高南低，平均煤厚為6.52 m，標(biāo)高范圍為945～925 m，落差20 m，工作面為2009 年回采。8613 工作面上部未被開(kāi)采破壞，經(jīng)物探、鉆探未發(fā)現(xiàn)工作面存在積水情況，因8613工作面整體東低西高，故8611采空區(qū)積水排放至8613采空區(qū)后，具有一定的儲(chǔ)水空間。

2.2 8611工作面采空區(qū)積水情況

1）積水范圍的確定

8611 工作面上覆8#層西部為406 軌、406 皮、506回3 條盤區(qū)巷道，北部為406-1 軌、406-1 皮、506-1 回3 條盤區(qū)巷道，層間距約43 m；上覆7#層西部為礦井408 盤區(qū)巷道，東部為8803 采空區(qū)，層間距約74 m；上覆3#層為8801（1994 年采完）、8803（1995 年采完）、8805（1995 年采完）、8807（1996 年采完），各工作面均采用走向長(zhǎng)臂采煤法進(jìn)行回采，層間距約117 m；該工作面東北部存在靈丘通盛煤礦（2007年關(guān)閉），通盛煤礦批采煤層為2#、3#、7#層煤。通過(guò)礦井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，12#煤層裂隙帶發(fā)育高度為86.2 m，根據(jù)煤層底板等高線和回采情況，通過(guò)地面瞬變電磁法、井下瞬變電磁法預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)8611采空區(qū)內(nèi)存在積水。8611工作面經(jīng)探水鉆孔測(cè)得水壓為0.3 MPa，估算其積水標(biāo)高為980 m，最大積水面積10.3 萬(wàn)m2。探放水鉆孔布置平面圖見(jiàn)圖1。

2）積水量的確定

老空區(qū)積水計(jì)算：

式中：Q積為積水區(qū)總積水量，m3；∑Q采為采空區(qū)積水量之和，m3；∑Q掘?yàn)椴煽諈^(qū)各巷道積水量之和，m3；K為充水系數(shù)，取0.26；S為采空區(qū)面積，m2；H為采高，m；a為煤層傾角，°；S斷為積水巷道斷面，m2；L為巷道長(zhǎng)度，m。

采空區(qū)回采高度4.75 m，充填系數(shù)取0.26，經(jīng)計(jì)算，最大積水量為12.7萬(wàn)m3。

3 探放水鉆孔布置

1）8637工作面切眼掘進(jìn)至距2611巷30 m處停止掘進(jìn)，在距2611 巷34 m 處巷道南幫施工一個(gè)規(guī)格為4 m×4 m的鉆場(chǎng)，由探放水隊(duì)施工兩組鉆孔進(jìn)行探放水工作，鉆孔參數(shù)如下：

第一組：探8611鉆孔，方位96°，傾角0°，預(yù)計(jì)34 m溝通8611老空區(qū)；探8613鉆孔，方位137°，傾角-3°，預(yù)計(jì)70 m溝通8613老空區(qū)。

第二組：探8611 鉆孔，方位96°，傾角-7°，預(yù)計(jì)34 m溝通8611老空區(qū)；探8613鉆孔，方位137°，傾角-3°，預(yù)計(jì)70 m溝通8613老空區(qū)。

排水系統(tǒng)：通過(guò)向同層8611采空區(qū)施工兩個(gè)放水孔，向同層8615采空區(qū)施工兩個(gè)排水孔，兩兩對(duì)接，將8611 采空區(qū)積水通過(guò)自流排放至同層相對(duì)較低的8615 采空區(qū)內(nèi)（地質(zhì)科負(fù)責(zé)日常水量觀測(cè)、匯總及分析工作）。

2）探放水鉆孔施工及單孔結(jié)構(gòu)

開(kāi)孔以57 mm 孔徑鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)到終孔前10.0 m時(shí)，換用108 mm 鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔長(zhǎng)度5.0 m，用于安設(shè)止水套管。由專門配備的TUX-75 型鉆機(jī)（鉆桿直徑75 mm）進(jìn)行施工[2]。

3）鉆進(jìn)要求

鉆孔開(kāi)口處5 m必須用108 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，以安裝孔口安全套管，并安設(shè)閘門，安設(shè)牢固后，要進(jìn)行安全套管的耐壓試驗(yàn)，合格后方可鉆進(jìn)，并經(jīng)常檢查。

4）單孔放水量Q計(jì)算

式中：C為流量系數(shù)，取0.6；S為鉆孔斷面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s；h為鉆孔出口處的水頭高度，m。

放水孔采用直徑75 mm 鉆孔施工，水頭高度0.25 m，經(jīng)計(jì)算，單孔放水量為23.9 m3/h。

5）排水時(shí)間

預(yù)計(jì)最大積水量為12.7 萬(wàn)m3，兩組孔排水，單孔放水量為23.9 m3/h，計(jì)算排水時(shí)間為110 d。

4 安全技術(shù)措施

為保證作業(yè)地點(diǎn)施工安全，在探水前和鉆孔施工期間，隊(duì)組要加強(qiáng)沿途頂板的支護(hù)；在開(kāi)始探巷之前，必須確保巷道內(nèi)已配備至少一趟4 寸管路及兩臺(tái)45 kW水泵；探鉆地點(diǎn)附近必須安裝電話，以便及時(shí)匯報(bào)探鉆過(guò)程中發(fā)生的意外情況和一旦工作面發(fā)現(xiàn)透水征兆時(shí)，能及時(shí)與地面調(diào)度室聯(lián)系、匯報(bào)情況，并向受水害威脅區(qū)域發(fā)出警報(bào)[3]；探放水隊(duì)必須嚴(yán)格按照探鉆參數(shù)要求進(jìn)行施工，不得擅自更改，如遇井下情況特殊確需改變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，必須經(jīng)地質(zhì)部門同意后，重新調(diào)整鉆孔參數(shù)，補(bǔ)充鉆孔探測(cè)設(shè)計(jì)方案；探放水隊(duì)在探測(cè)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)煤巖松軟、片幫、來(lái)壓或鉆眼中水壓、水量突然增大及頂鉆等異?，F(xiàn)象時(shí)，必須立即停止鉆進(jìn)，但不得撥出鉆桿，撤出所有受水威脅地區(qū)的人員，同時(shí)向礦領(lǐng)導(dǎo)及調(diào)度室匯報(bào)；探放水隊(duì)必須在班前會(huì)強(qiáng)化員工的防治水意識(shí)，真正做到防患于未然；探放水隊(duì)在鉆場(chǎng)位置巷道頂板懸掛探放水牌板，并標(biāo)明探孔施工日期、人員、參數(shù)、放水量；探放水孔在探通后，必須上止水套管，安裝壓力表、流量計(jì)；地質(zhì)科派專人負(fù)責(zé)指導(dǎo)探孔的施工，使探孔參數(shù)嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)要求；安監(jiān)站派專人監(jiān)督，如果發(fā)現(xiàn)探鉆參數(shù)不合格，立即要求停止施工探孔[4]；探測(cè)完畢，由探放水隊(duì)、地質(zhì)科、安監(jiān)站、掘進(jìn)隊(duì)組相關(guān)負(fù)責(zé)人組織驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后在四聯(lián)驗(yàn)收單簽字。

5 水患治理及排水情況

1）上覆層探放水工作

12#煤層406盤區(qū)8637工作面向上覆3#煤層共施工井下放水驗(yàn)證孔1 個(gè)，鉆孔鉆進(jìn)137 m 溝通3#煤層，通孔無(wú)水。綜上所述，上覆層探放水工作已完成，無(wú)水患。

2）同層8611采空區(qū)積水探放水工作

為疏放8637工作面同層8611采空區(qū)積水，礦井制定了專項(xiàng)探放水方案，在8637 切巷建立一放水硐室，向8611采空區(qū)施工兩個(gè)放水孔，向同層8615采空區(qū)施工兩個(gè)排水孔，兩兩對(duì)接，將8611 采空區(qū)積水通過(guò)自流排放至同層相對(duì)較低的8615采空區(qū)內(nèi)，地質(zhì)防治水科負(fù)責(zé)日常水量觀測(cè)、匯總及分析工作。

礦井開(kāi)始排水日期為2019 年10 月21 日，截止2020年1月13日，8637切巷放水硐室兩組探放水孔均已無(wú)出水，累計(jì)排放水量8.1 萬(wàn)m3?？偱潘啃∮陬A(yù)計(jì)最大積水量，主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)形成時(shí)間長(zhǎng)，采空區(qū)壓實(shí)程度較好，形成的儲(chǔ)水空間相對(duì)較小以及出水口水位與老空水水位有一定高差，老空水未全部排出。8611 采空區(qū)積水排放工作已完成，水患已基本消除。排水時(shí)間為84 d。涌水量和排水時(shí)間均小于預(yù)期。

綜上所述，12#煤層406盤區(qū)8637工作面經(jīng)探放水工作，上覆層已無(wú)水患威脅，同層8611 采空區(qū)水患已基本消除。8637 工作面在防治水方面已具備安全生產(chǎn)條件，符合準(zhǔn)入驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

6 8637工作面開(kāi)采情況

12#煤層406 盤區(qū)工作面8637 工作面為煤柱工作面，回收406盤區(qū)大巷煤柱，工作面南北方向布置。該工作面走向長(zhǎng)701.8 m，切巷長(zhǎng)度94.8 m；巷道規(guī)格為4.5 m×2.8 m。12#煤層直接頂為中粗砂巖互層；直接底為粗中細(xì)粒砂巖；12#煤層平均厚度4.75 m。采煤方法為綜采一次采全高采煤法，工作面可采儲(chǔ)量為43.5萬(wàn)t。通過(guò)8611 工作面的探放水工作，解除了8637 工作面水害威脅，8637 工作面于2020 年8 月底回采完畢。

7 效果分析

1）通過(guò)將8611 采空區(qū)積水通過(guò)自流排放至相對(duì)較低的8615采空區(qū)，解決了8637工作面上覆采空積水和同層采空積水的水害威脅。

2）通過(guò)探放水工作，保證了8637 工作面43.5 萬(wàn)t煤炭資源安全回收，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3）正常的探放水作業(yè)是將老空水經(jīng)探水孔排至巷道小水倉(cāng)，經(jīng)過(guò)礦井主要排水系統(tǒng)排至地面礦井水處理站，處理后利用或外排。此次排水作業(yè)減少了排水工序同時(shí)降低了排水及水處理成本。

8 適用條件和推廣應(yīng)用范圍

該探放水方法適應(yīng)于同層臨近采空區(qū)積水的疏放，主要利用采空區(qū)間的標(biāo)高差，將采空區(qū)積水疏放至標(biāo)高較低的采空區(qū)內(nèi)，即減少了積水疏放的物料成本和人工成本，又減少了污水處理壓力，環(huán)保節(jié)能，降本增效。對(duì)于許多兼并重組礦井的老窯積水處理提供一種解決方法。