王小勇

(烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017307)

納林河二號(hào)礦井31120工作面回風(fēng)巷是該礦第1個(gè)留小煤柱沿空掘進(jìn)的工作面，鑒于該礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜、31121工作面回采結(jié)束后采空區(qū)內(nèi)形成大小不一的積水區(qū)和31120工作面回風(fēng)巷留小煤柱沿31121采空掘進(jìn)的實(shí)際情況，導(dǎo)致31121采空區(qū)積水威脅到了31120工作面回風(fēng)巷的掘進(jìn)安全。采空區(qū)突水具有時(shí)間短、水量大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，因此，有效進(jìn)行采空區(qū)水害防治將為礦井的采掘安全提供重要技術(shù)支撐。為更科學(xué)地防治采空區(qū)積水水害，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的研究工作，孫宗東、楊朝維、田坤等人[1-20]提出通過施工鉆孔(短距離鉆孔、長(zhǎng)距離鉆孔、定向鉆孔、泄水巷鉆孔)進(jìn)行限壓循環(huán)放水技術(shù)來(lái)保障掘進(jìn)安全。目前，針對(duì)納林河二號(hào)礦井的留小煤柱沿空掘進(jìn)采空區(qū)水害有效防治技術(shù)還未形成，因此，本次實(shí)踐研究針對(duì)納林河二號(hào)礦井留小煤柱沿空掘進(jìn)存在的采空區(qū)水害問題，利用泄水巷布置鉆孔、輔回撤通道密閉墻導(dǎo)水管、工作面回風(fēng)巷硐室密閉墻導(dǎo)水管、回風(fēng)巷布置鉆孔等方法，探索出一套新的采空區(qū)水害綜合防治技術(shù)，對(duì)于預(yù)防本礦井及其相似礦井水害事故和保障安全生產(chǎn)有重要意義。

1 工作面及采空區(qū)概況

1.1 工作面概況

納林河二號(hào)礦井31121工作面位于首采區(qū)北翼西部邊界附近，南臨中央二號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，北臨納林河保護(hù)煤柱，西臨G7-8天然氣保護(hù)煤柱。工作面長(zhǎng)2 628 m，寬300 m，面積788 400 m2。工作面內(nèi)存在寬泛的褶曲和落差0.3～2.0 m的正斷層，所回采的3-1號(hào)煤層傾角0°～3°，煤厚6.4 m。31121回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷均沿3-1號(hào)煤層底板掘進(jìn)，31121工作面沿3-1號(hào)煤層底板回采，回采方位191°，已回采完畢。

1.2 采空區(qū)起伏情況

根據(jù)31121工作面兩巷道實(shí)測(cè)剖面可知：31121工作面采空區(qū)底板整體由開切眼向回撤通道逐漸降低，運(yùn)輸巷底板標(biāo)高整體高于回風(fēng)巷，運(yùn)輸巷底板標(biāo)高大約543～549 m；回風(fēng)巷底板標(biāo)高大約541～549 m；運(yùn)輸巷底板最低點(diǎn)為543 m，最低點(diǎn)距離主回撤通道1 270 m；回風(fēng)巷底板最低點(diǎn)541 m，最低點(diǎn)距離主回撤通道930 m，31121采空區(qū)對(duì)比示意如圖1所示。

圖1 31121采空區(qū)對(duì)比示意圖

2 31121工作面水文地質(zhì)條件

2.1 導(dǎo)水通道、充水水源及強(qiáng)度

導(dǎo)水裂縫帶(預(yù)測(cè)高度為3-1號(hào)煤層頂板以上120 m)、地層孔隙和裂隙、構(gòu)造斷裂、封閉不良鉆孔等為31121采空區(qū)的主要充水通道。位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍以外的安定組、白堊系和第四系含水層是31121采空區(qū)的間接充水含水層。位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍以內(nèi)的延安組和直羅組含水層是31121采空區(qū)的直接充水含水層。延安組含水層具體為延安組3-1號(hào)煤層頂板砂巖含水層，厚度0～25.8 m，位于3-1號(hào)煤層頂板以上1.31～21.08 m，巖性以灰色、灰白色細(xì)砂巖為主。延安組2-1號(hào)煤層頂板砂巖含水層，厚度0～53.49 m，位于3-1號(hào)煤層頂板以上21.08～72.74 m，巖性深灰色、灰色細(xì)砂巖為主。直羅組含水層具體為直羅組底部砂巖含水層，厚度10.68～17.10 m，位于3-1號(hào)煤層頂板以上81.98～120.87 m，巖性以灰色、淺灰綠色細(xì)砂巖為主。直羅組含水層富水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于延安組含水層。

2.2 采取的主要防治水措施

采取的主要措施有地質(zhì)及水文地質(zhì)綜合補(bǔ)充勘探、預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)3-1號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、探測(cè)和疏放采掘工作面3-1號(hào)煤層頂板孔隙裂隙含水層水、探查采掘工作面內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育情況、對(duì)地面封閉不良鉆孔進(jìn)行了全孔啟封注漿，在井上下建立洛河組、直羅組及延安組地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立滿足礦井需要的主要、輔助及應(yīng)急排水系統(tǒng)等。

2.3 補(bǔ)給、徑流及排泄

31121采空區(qū)主要受直接充水含水層的直接補(bǔ)給，受間接含水層的越流補(bǔ)給，但越流補(bǔ)給量有限。直接充水含水層天然徑流方向主要由北向南。在31121工作面附近主要從周圍向采空區(qū)徑流。排泄方式主要通過回采后形成的導(dǎo)水裂隙向采空區(qū)進(jìn)行自然排泄，由采空區(qū)經(jīng)礦井排水系統(tǒng)排泄至地面。

2.4 “三線”確定

積水線主要位于31121運(yùn)輸巷6號(hào)和14號(hào)調(diào)車硐室處、31121回風(fēng)巷等。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》及礦井實(shí)際情況探水線由積水線平行外推30 m，警戒線由探水線平行外推30 m。嚴(yán)格控制“三線”位置，合理布置放水鉆孔[4]。

3 31121采空區(qū)水害綜合防治技術(shù)

3.1 分區(qū)管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

根據(jù)31121回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷實(shí)測(cè)剖面按整體疏放與局部疏放對(duì)影響31120工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)的31121采空區(qū)積水進(jìn)行分區(qū)管理。其中整體疏放積水區(qū)主要分布在31121回風(fēng)巷三角區(qū)，劃分為一、二號(hào)整體疏放積水區(qū)。局部疏放積水區(qū)主要分布在31121運(yùn)輸巷采空三角區(qū)，劃分為1、2、3號(hào)局部疏放積水區(qū)(見圖1)，分區(qū)管理達(dá)到了分級(jí)防治的目的。

31121采空區(qū)存有一定量積水，且具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)給的特點(diǎn)[2]?；诓煽諈^(qū)積水分區(qū)，對(duì)各積水區(qū)水量分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，由于實(shí)際積水空間形態(tài)與公式假設(shè)形態(tài)存在一定差別，應(yīng)根據(jù)積水區(qū)底板起伏對(duì)計(jì)算積水量進(jìn)行修正，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，底板起伏較大的積水區(qū)計(jì)算積水量與實(shí)際積水量差別大，一般取修正系數(shù)0.5，底板起伏較小的積水區(qū)計(jì)算積水量與實(shí)際積水量差別較小，一般取修正系數(shù)0.8。因煤層角度0°～3°，所以本次計(jì)算忽略煤層角度影響。

Q=FMK

(1)

式中：Q——采空區(qū)積水量，m3；

K——采空區(qū)充水系數(shù)，一般取0.25～0.50，本文取0.30；

M——積水高度，31121工作面積水高度取5 m；

F——積水區(qū)水平投影面積，m2。

把相關(guān)參數(shù)代入式(1)，根據(jù)實(shí)際情況取0.5的修正系數(shù)，修正之后積水量總計(jì)47.89萬(wàn)m3，31121采空區(qū)積水儲(chǔ)量較大,積水量計(jì)算見表1。

3.2 多點(diǎn)疏放、低位布孔、持續(xù)暢通

由于31121采空區(qū)底板整體西南低、東北高，所以整體疏放點(diǎn)位于31121回風(fēng)巷中部一號(hào)整體疏放積水區(qū)和31121輔回撤通道西部二號(hào)整體疏放積水區(qū)。由于31120回風(fēng)巷沿31121采空區(qū)掘進(jìn)，其間留設(shè)了6 m的小煤柱，所以局部疏放點(diǎn)位于31120回風(fēng)巷中部低洼點(diǎn)，即6號(hào)至14號(hào)調(diào)車硐室范圍的1、2、3號(hào)局部疏放積水區(qū)，見圖1。通過多點(diǎn)、低位和持續(xù)疏放保證了疏放效果。

表1 31121采空區(qū)積水量計(jì)算

3.2.1 施工泄水巷并布置鉆孔疏放

31121回風(fēng)巷中部一號(hào)整體疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知該區(qū)底板標(biāo)高最低541 m，該區(qū)施工了泄水巷，泄水巷掘進(jìn)工作面底板低于31121采空區(qū)底板1 m，泄水巷掘進(jìn)工作面距離31121采空區(qū)25 m，在泄水巷設(shè)置了最大能力為900 m3/h的排水系統(tǒng)。在泄水巷掘進(jìn)工作面施工了8個(gè)放水鉆孔，開孔與31121采空區(qū)底板平行，終孔高于31121采空區(qū)底板0.5 m，鉆孔呈扇形布置，終孔孔徑110 mm，護(hù)壁管直徑89 mm，終孔進(jìn)入采空區(qū)3 m，總工程量263 m，終孔總水量610.6 m3/h，終孔水壓0.06 MPa，初始水位標(biāo)高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量170 m3/h，穩(wěn)定水壓0.03 MPa，穩(wěn)定水位標(biāo)高543 m。泄水巷掘進(jìn)工作面放水鉆孔參數(shù)見表2，31121采空區(qū)積水放水參數(shù)見表3，泄水巷掘進(jìn)工作面放水鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 泄水巷掘進(jìn)工作面放水鉆孔參數(shù)

表3 31121采空區(qū)積水放水參數(shù)

圖2 泄水巷掘進(jìn)工作面放水鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2.2 利用31121輔回撤通道密閉墻導(dǎo)水管疏放

31121輔回撤通道西部二號(hào)整體疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知該區(qū)底板標(biāo)高最低543 m，該區(qū)密閉墻預(yù)留了3個(gè)直徑273 mm的導(dǎo)水管，導(dǎo)水管高于31121采空區(qū)底板0.2 m。初始水量203.6 m3/h，初始水壓0.028 MPa，初始水位標(biāo)高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量60 m3/h，穩(wěn)定水壓0.001 MPa，穩(wěn)定水位標(biāo)高543.3 m，見表3。

3.2.3 利用31121回風(fēng)巷硐室密閉墻導(dǎo)水管疏放

31121回風(fēng)巷6號(hào)至14號(hào)調(diào)車硐室范圍1、2、3局部疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知底板標(biāo)高最低543 m，6號(hào)至14號(hào)調(diào)車硐室密閉墻均預(yù)留了2個(gè)直徑為159 mm的導(dǎo)水管，導(dǎo)水管高于31120采空區(qū)底板0.2 m，初始總水量270 m3/h，初始水壓0.018 MPa，初始水位標(biāo)高為545 m。2020年5月10日開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定總水量36 m3/h，穩(wěn)定水壓0.001 MPa，穩(wěn)定水位標(biāo)高543.3 m，見表3。

3.2.4 利用31120回風(fēng)巷布置鉆孔疏放

通過現(xiàn)場(chǎng)跟班指導(dǎo)[5]，在31120回風(fēng)巷6號(hào)至14號(hào)調(diào)車硐室范圍內(nèi)1、2、3局部疏放積水區(qū)，在煤機(jī)后煤柱內(nèi)循環(huán)施工了7個(gè)放水鉆孔，鉆孔高于31121采空區(qū)底板0.5 m，終孔孔徑89 mm，護(hù)壁管直徑74 mm，終孔進(jìn)入采空區(qū)1 m?？偣こ塘?9 m，終孔總水量500 m3/h，終孔水壓0.015 MPa，初始水位標(biāo)高為545 m。2020年5月14日開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量0 m3/h，穩(wěn)定水壓0 MPa，穩(wěn)定水位標(biāo)高543.5 m。31120回風(fēng)巷放水鉆孔參數(shù)見表4，31120回風(fēng)巷放水鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 先整體后局部

整體疏放即對(duì)采空區(qū)整體積水進(jìn)行疏放以便使局部積水能盡快疏放，整體疏放于2020年4月26日通過31121輔回撤通道密閉墻預(yù)留的3個(gè)直徑為273 mm的導(dǎo)水管和泄水巷施工的8個(gè)終孔直徑110 mm的疏放水鉆孔開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定并達(dá)到疏放標(biāo)準(zhǔn)。局部疏放是整體疏放后對(duì)采空區(qū)局部低洼處的積水進(jìn)行疏放，局部疏放于2020年5月10日通過31121回風(fēng)巷9個(gè)調(diào)車硐室密閉墻預(yù)留的18個(gè)直徑159 mm的導(dǎo)水管和在31120回風(fēng)巷6 m小煤柱上循環(huán)施工的7個(gè)終孔直徑89 mm的疏放水鉆孔開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定并達(dá)到疏放標(biāo)準(zhǔn)，共疏放31121采空區(qū)積水32.3萬(wàn)m3。

表4 31120回風(fēng)巷放水鉆孔參數(shù)

圖3 31120回風(fēng)巷放水鉆孔結(jié)構(gòu)

3.4 先觀測(cè)后分析

根據(jù)實(shí)際情況選用量程合適的壓力表、管道流量計(jì)、計(jì)量桶、透明導(dǎo)水管等，定期觀測(cè)水量和水位高度，分析動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量與疏放量的關(guān)系，利用疏放點(diǎn)的底板標(biāo)高和水位高度推算水位標(biāo)高，分析整體疏放積水區(qū)和局部疏放積水區(qū)之間的聯(lián)系，判斷整體疏放積水區(qū)和局部疏放積水區(qū)疏放是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，判斷是否需增加疏放點(diǎn)及疏放水鉆孔。

一、二號(hào)整體疏放積水區(qū)均于2020年5月22日趨于穩(wěn)定并達(dá)標(biāo)，水位由546 m疏放至543 m。1、2、3號(hào)局部疏放積水區(qū)均于2020年6月5日趨于穩(wěn)定，水位由545.0 m降至543.5 m(見表3)。說(shuō)明一、二號(hào)整體疏放積水區(qū)之間有一定聯(lián)系，1、2、3號(hào)局部疏放積水區(qū)之間有一定聯(lián)系，整體積水疏放后局部疏放積水區(qū)與整體疏放積水區(qū)之間聯(lián)系較小，各積水區(qū)補(bǔ)給量與排泄量達(dá)到平衡。31121采空區(qū)靜儲(chǔ)量已疏放徹底，放水量全部變?yōu)閯?dòng)態(tài)補(bǔ)給量。說(shuō)明整體水位已降至局部水位以下，局部水位已降至1 m以下，達(dá)到疏放標(biāo)準(zhǔn)，不需再增加放水點(diǎn)及放水鉆孔。

3.5 先疏放后掘進(jìn)

整體積水疏放目標(biāo)為整體水位546 m降至局部水位545 m以下。局部積水疏放目標(biāo)為局部水位545 m降至544 m以下。整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下后31120回風(fēng)巷方可進(jìn)行掘進(jìn)。由于31120回風(fēng)巷沿3-1號(hào)煤層底板掘進(jìn)，3-1號(hào)煤層以寬泛的褶皺分布，所以根據(jù)31121回風(fēng)巷實(shí)測(cè)剖面當(dāng)31120回風(fēng)巷掘進(jìn)至一定距離后掘進(jìn)工作面局部水位達(dá)到1 m以上時(shí)停止掘進(jìn)，在31120回風(fēng)巷煤機(jī)后煤柱內(nèi)施工放水孔放水，同時(shí)觀測(cè)水量水位，水位再降至1 m以下后31120回風(fēng)巷再開始進(jìn)行掘進(jìn)，這樣限壓(水壓小于0.01 MPa)循環(huán)放水循環(huán)掘進(jìn)，確保31120回風(fēng)巷掘進(jìn)不受水害威脅。目前，31120回風(fēng)巷已安全順利貫通。

4 結(jié)語(yǔ)

31121采空區(qū)積水具有靜態(tài)儲(chǔ)量大、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量大、底板整體平緩局部起伏較大的特點(diǎn)。整體積水疏放后局部循環(huán)放水時(shí)間大幅縮短，局部循環(huán)放水雖然對(duì)31120回風(fēng)巷掘進(jìn)進(jìn)度有一定影響，但在保證安全的情況下必不可少，局部循環(huán)放水可以驗(yàn)證[3]整體放水效果，但需要巷道剖面及巷道內(nèi)硐室位置的精準(zhǔn)實(shí)測(cè)?？傊敬问璺潘_(dá)到了整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下的疏放標(biāo)準(zhǔn)，31121采空區(qū)靜儲(chǔ)量水已疏放徹底，放水量全部變?yōu)閯?dòng)態(tài)補(bǔ)給量，目前31120回風(fēng)巷已安全順利貫通。

本次研究實(shí)踐的成功在于充分利用了輔回撤通道密閉墻導(dǎo)水管、工作面回風(fēng)巷硐室密閉墻導(dǎo)水管，并總結(jié)出了分區(qū)管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、多點(diǎn)疏放、低位布孔、持續(xù)暢通、先整體后局部、先觀測(cè)后分析、先疏放后掘進(jìn)的采空區(qū)水害綜合防治技術(shù)。