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(jí)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(tái)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(biāo)高+310～+430 m，工作面標(biāo)高+75.235～+95.987 m，工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(shè)計(jì)采用無煤柱沿空掘巷技術(shù)施工，巷道坡度設(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層煤厚大于3.5 m時(shí)，采用U型鋼棚支護(hù)，煤層厚度小于3.5 m時(shí)，采用錨網(wǎng)支護(hù)，主要用于備采工作面的瓦斯治理及運(yùn)輸、通風(fēng)、行人，服務(wù)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(shí)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)行，導(dǎo)致掘進(jìn)下個(gè)采面的回風(fēng)順槽期間受上個(gè)采面的采空區(qū)積水的威脅，根據(jù)工作面實(shí)際揭露的水文地質(zhì)情況，備采面上順槽掘進(jìn)至通尺168～245 m和475～740 m，巷道頂板施工錨桿、錨索時(shí)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(biāo)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(jìn)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(duì)工作面掘進(jìn)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(chǔ)水量為主，水量消減快、持續(xù)時(shí)間短，對(duì)工作面掘進(jìn)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(bǔ)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(jì)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(biāo)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(jì)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(biāo)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(shí)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(dǎo)水，因此工作面掘進(jìn)期間不受斷層水影響[3]。

綜合上述，工作面掘進(jìn)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(jìn)主要受老空水、二1煤層頂板砂巖裂隙水影響。預(yù)計(jì)工作面掘進(jìn)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(shù)

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(diǎn)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(shù)，通過探索新的防治水技術(shù)，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(shù)難題，為工作面無煤柱沿空掘巷的安全施工提供技術(shù)保障,主要從6個(gè)方面研究無煤柱沿空掘巷綜合防治水關(guān)鍵技術(shù)：①沿煤層頂板和無煤柱沿空掘巷技術(shù)；②追排水技術(shù)；③長(zhǎng)、短鉆孔驗(yàn)證技術(shù)；④匯水硐室排水技術(shù)；⑤“V型”巷道應(yīng)急排水系統(tǒng)技術(shù)；⑥底板巖巷穿層鉆孔超前放水技術(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用

4.1 沿煤層頂板和無煤柱沿空掘巷技術(shù)

隨著煤炭生產(chǎn)新工藝的不斷發(fā)展，沿空掘巷工藝在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)逐漸推廣應(yīng)用，沿空掘巷可以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，減少了資源浪費(fèi)，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(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層煤厚大于3.5 m時(shí)，采用U型鋼棚支護(hù)，煤層厚度小于3.5 m時(shí)，采用錨網(wǎng)支護(hù)；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(jìn)一步掌握老空區(qū)情況，有利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全；設(shè)計(jì)沿煤層頂板掘進(jìn)，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(jiān)硬，穩(wěn)定性好，易于支護(hù)，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(zhǔn)確的地質(zhì)資料，為長(zhǎng)短鉆孔驗(yàn)證角度設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；三是可以與上部老空形成頂板對(duì)接關(guān)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(shù)

現(xiàn)場(chǎng)使用與預(yù)計(jì)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(shè)的排水管路對(duì)老空區(qū)內(nèi)補(bǔ)給動(dòng)水（水量10 m3/h）進(jìn)行疏排，排水管路保持與工作面迎頭一定距離，隨巷道掘進(jìn)而延長(zhǎng)，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(zhǎng)短鉆孔驗(yàn)證技術(shù)

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

圖1 探放水鉆孔設(shè)計(jì)圖

表2 探放水鉆孔參數(shù)表

圖2 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 探放水鉆孔斷面布置圖

4.4 匯水硐室排水技術(shù)

備采工作面順槽掘進(jìn)時(shí)標(biāo)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(gè)匯水硐室與采空區(qū)聯(lián)通（順槽上山掘進(jìn)或水平掘進(jìn)時(shí)不做匯水硐室）。硐室內(nèi)挖設(shè)一個(gè)長(zhǎng)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(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，使用錨網(wǎng)和塑編網(wǎng)進(jìn)行加固，防止積水時(shí)間長(zhǎng)損壞匯水硐室頂幫。匯水硐室內(nèi)安放2臺(tái)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(dòng)水并進(jìn)行疏放，防止采空區(qū)積水標(biāo)高高于工作面順槽標(biāo)高[6]，形成水害隱患，對(duì)施工帶來影響。

4.5 “V型”巷道應(yīng)急排水系統(tǒng)技術(shù)

工作面順槽掘進(jìn)期間每一處“V”型最低點(diǎn)位置施工永久排水陣地[7]，水窩進(jìn)水口處挖設(shè)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(tái)，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(diǎn)向外高于最低點(diǎn)底板1.2 m位置設(shè)置一處應(yīng)急排水點(diǎn)，有2臺(tái)排水能力合計(jì)不低于200 m3/h的排水泵。每臺(tái)水泵使用倒鏈吊掛，當(dāng)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(shí)，順槽內(nèi)高點(diǎn)的應(yīng)急排水點(diǎn)排水雙泵起到應(yīng)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(jìn)巷道未施工前期，需按照設(shè)計(jì)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(dá)到消突目的，根據(jù)工作面這一設(shè)計(jì)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(chǔ)上，使用探放水鉆機(jī)對(duì)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(jìn)行針對(duì)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(jìn)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(cè)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(duì)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(shí)施效果

1）通過該技術(shù)的實(shí)施，共施工了13輪探查鉆孔施工，累計(jì)施工鉆孔34個(gè)，鉆探進(jìn)尺1 809 m，疏放老空水量27 500 m3，確保巷道安全掘進(jìn)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(shù)應(yīng)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(jìn)1 155 m，根本上消除了老空積水對(duì)工作面安全生產(chǎn)帶來的隱患，同時(shí)能多采出原采煤方法中順槽與順槽之間留設(shè)的安全煤柱3.31萬(wàn)t，統(tǒng)計(jì)該技術(shù)的成功實(shí)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(xiàn)，技術(shù)實(shí)施后實(shí)現(xiàn)多回收煤炭3.31萬(wàn)t，直接經(jīng)濟(jì)效益1 747.68萬(wàn)元。

3）備采工作面順槽掘進(jìn)期間和工作面形成回采期間對(duì)老空水的穩(wěn)定疏放，保證了巷道的快速掘進(jìn)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(shí)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(jìn)+無煤柱沿空掘進(jìn)+V型巷道匯水硐室追排水+長(zhǎng)、短鉆孔驗(yàn)證”綜合治理技術(shù)的成功實(shí)施，從根本上消除了老空水水害隱患。另外，該技術(shù)的成功應(yīng)用，將會(huì)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(shù)參數(shù)提供依據(jù)，也為推動(dòng)礦井“三沿”開采水害防治技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的參考，將對(duì)礦井產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。