黎偉明，王亞莉

(甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730910)

紅會礦區(qū)位于靖遠(yuǎn)煤田東南端，毗鄰大寶礦區(qū)，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。區(qū)內(nèi)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(shí)踐表明[1],受采動影響，煤層上覆巖層發(fā)生斷裂，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到中侏羅統(tǒng)新河組含水層，形成導(dǎo)水通道，造成采空區(qū)內(nèi)存有大量的積水且一直有動態(tài)水補(bǔ)給。隨著開采水平的延伸，采空區(qū)積水給傾斜下方掘進(jìn)帶來重大水災(zāi)隱患。紅會一礦通過長期的摸索和實(shí)踐，形成一套沿空下山掘進(jìn)水害防治技術(shù)，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(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)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(fēng)巷設(shè)計(jì)736.0 m，走向掘進(jìn)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(jī)道密閉出水點(diǎn)圈定的積水區(qū)域面積為117 000 m2，積水標(biāo)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(yán)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(shè)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(fēng)巷安全掘進(jìn)，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》的規(guī)定，必須在1704工作面回風(fēng)巷留設(shè)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(jì)算分析出窄小煤柱留設(shè)寬度為10.0 m.考慮到1704回風(fēng)巷傾斜上方承壓大量積水，利用FLAC3D有限差分軟件對1704回風(fēng)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(jìn)行評價(jià)，為巷道的煤柱留設(shè)和支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

本次模擬以紅會一礦實(shí)測的巖層參數(shù)為基礎(chǔ)，對紅會一礦1706回風(fēng)巷全煤巷道段建立數(shù)值計(jì)算模型。每個網(wǎng)格代表的尺寸按照1.5 m×1.5 m進(jìn)行模擬，由圖2可知，在巷道開挖后未支護(hù)前，塑性區(qū)[4]范圍比較大，達(dá)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(hù)前塑性區(qū)分布圖

因此，根據(jù)分析結(jié)果，1704工作面回風(fēng)巷與1706工作面煤柱寬度按照15.0 m留設(shè)。防隔水煤柱留設(shè)的經(jīng)驗(yàn)公式(2)得出[5]：

(2)

式中：L為煤柱留設(shè)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(qiáng)度，取1.42 MPa.

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

2.2 巷道支護(hù)方案

巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。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(qiáng)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(fēng)巷支護(hù)示意如圖3所示。

通過軟件模擬分析(如圖4所示)，在支護(hù)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(hù)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(hù)示意(mm)

圖4 支護(hù)后塑性區(qū)分布圖

2.3 確定允許掘進(jìn)安全距離

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

1) 鉆孔布置。由1706工作面機(jī)道密閉處脫水點(diǎn)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(diǎn)的標(biāo)高和采空區(qū)積水點(diǎn)的位置，分別在回風(fēng)巷、中間巷、二號爆破巷采用“DDDC”的方法即“探放水鉆孔設(shè)計(jì)-鉆孔施工-疏放水-效果驗(yàn)證”，直至1706采空區(qū)積水疏放放凈。

2) 礦用側(cè)向電阻率視頻成像測井技術(shù)應(yīng)用。礦用側(cè)向電阻率視頻成像測井儀探測時[6]，設(shè)置相關(guān)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(jìn)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(dāng)水壓值無壓或微壓時，利用礦用側(cè)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(fēng)巷相鄰兩階段允許掘進(jìn)對應(yīng)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(jìn)水位疏降高差值不大于1.0 m.

式中：P為壓強(qiáng)，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(jìn)坡度正值)，計(jì)算出每次允許掘進(jìn)的工程量。

2.4 排水方案

經(jīng)計(jì)算，1704回風(fēng)巷探放水預(yù)計(jì)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(jìn)行選型，在1704工作面回風(fēng)巷水倉未形成之前，在臨時排水點(diǎn)分別安設(shè)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(fēng)巷排至1706工作面機(jī)道口，沿水溝自流至七采區(qū)水倉。在1704工作面回風(fēng)巷水倉形成后，在水泵房安設(shè)2臺MD280-43×3型水泵(1臺備用)，敷設(shè)D219 mm排水管路一趟,水流進(jìn)入水倉，再由回風(fēng)巷水倉集中排放至1706綜放工作面機(jī)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(nèi)。

3 實(shí)施效果

1704工作面回風(fēng)巷從確定的探水線位置開始，截止到目前共設(shè)計(jì)并施工了探放水鉆孔5組，21個孔，進(jìn)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(jìn)行疏放，施工探放水鉆孔3組，17個孔，進(jìn)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(cè)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(fēng)巷驗(yàn)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(fēng)巷沿空下山掘進(jìn)水害防治技術(shù)方案，1706工作面采空區(qū)積水得到有效的疏放，經(jīng)過礦用側(cè)向電阻率視頻成像測井驗(yàn)證達(dá)到了對采空區(qū)積水降壓疏干的目的，效果顯著，實(shí)現(xiàn)了1706工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)736 m，確保了施工安全。

4 結(jié) 語

1) 1704工作面回風(fēng)巷實(shí)施限壓循環(huán)放水，設(shè)計(jì)并施工了探放水鉆孔8組，38個孔，進(jìn)尺2 946 m，探放1706工作面采空區(qū)積水40.3萬m3.實(shí)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(xì)則》有關(guān)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(shè)寬度，增加了回收煤炭資源約4.12萬t，根據(jù)當(dāng)?shù)?021年當(dāng)?shù)孛禾科骄鶅r(jià)格計(jì)算，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益約3 296.0萬元。

3) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料結(jié)合目前鉆孔出水情況，采空區(qū)仍有30 m3/h左右的補(bǔ)給水量。經(jīng)計(jì)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(zhì)的研究提供可靠的參數(shù)。

4) 1704工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間嚴(yán)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。