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        沿空循環(huán)限壓放水技術實踐

        2022-12-10 07:49:00牟海鵬周法樂
        山東煤炭科技 2022年11期
        關鍵詞:涌水量探查積水

        牟海鵬 宋 坤 周法樂

        (山東濟寧運河煤礦有限責任公司,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,預計積水量63 549 m3,積水上下限標高-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,預計積水量89 852 m3,積水上下限標高-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,沿空掘進巷道最低點均進入相鄰采空區(qū)積水標高20 m 以上。7300 工作面掘進期間受兩側(cè)采空區(qū)積水威脅。根據(jù)《煤礦防治水細則》第八十二條:“沿空掘進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)均存在沿空掘進工程區(qū)段,自東向西掘進,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[1-3]

        3.1 采空區(qū)積水水位精準探查

        為準確查明采空區(qū)內(nèi)積水上限標高,7300 軌道順槽、7300 皮帶順槽自巷道掘進至采空區(qū)積水警戒線處開始,巷道標高每降低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,設計長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)標高較對應位置巷道標高高約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)積水標高后,應嚴格控制迎頭標高,并按照“限距掘進→停掘、安裝排水系統(tǒng)→放水→效果檢驗→限距掘進”的循環(huán)組織生產(chǎn),直至采空區(qū)積水疏放至掘進巷道施工標高最低處。

        (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高與采空區(qū)積水水面標高高差小于1.0 m,掘進期間每班標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,鉆孔設計長度15 m(鉆孔進入采空區(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),取值標準見表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,即單孔預計最大涌水量為23.4 m3/h,3~4 個鉆孔同時放水預計最大涌水量為70~75 m3/h。

        (6)放水鉆孔要加強疏通維護,現(xiàn)場應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 時應進行鉆孔疏通。當疏通效果不明顯時應及時補打鉆孔,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,確認采空區(qū)積水已疏放至設計標高后,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注漿管路導氣管,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氣管反漿??卓诠苈裨O合格后,裝上控水大閥門,然后用Φ75 mm 鉆頭鉆進至設計孔深。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掘進施工標準

        由于采空區(qū)內(nèi)可能存在水源補給,第一次放水時應準確控制采空區(qū)補給水量,以便于確定采空區(qū)水位降至設計放水位置,明確恢復掘進施工標準。在第一階段放水后期,鉆孔涌水量經(jīng)過反復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系巷道掘進安全,沿空循環(huán)限壓放水工藝避免了施工專用泄水巷,減少了巷道掘進尺。在實際應用過程中應當做到采空區(qū)積水準確探查,嚴格控制水壓不大于0.01 MPa;加強現(xiàn)場排水系統(tǒng)建設,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、鉆探等多種手段進行,保證采空區(qū)積水疏干放凈,徹底消除水害威脅。

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