張寶鋒，余智秘，韓定鋒，張旺余

(陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713600)

0 引言

彬長(zhǎng)礦區(qū)井下回采期間主要水害威脅為工作面頂板垮落裂隙發(fā)育導(dǎo)通上覆巨厚含水層形成的頂板水害，但隨著礦井回采工作面不斷增加，老空水也逐漸成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要因素。老空水靜儲(chǔ)量大且受頂板水長(zhǎng)期補(bǔ)給[1 -3]，目前主要的防控措施為自流疏放、留設(shè)防隔水煤柱等，但受到?jīng)_擊地壓和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造威脅，以上措施使用范圍有限。為有效解決老空水害的威脅，同時(shí)兼顧防滅火、瓦斯、沖擊地壓等多重隱患交織的情況，需對(duì)以往的探放水手段進(jìn)行優(yōu)化和完善，從而達(dá)到解除水害威脅同時(shí)不引起其他次生災(zāi)害發(fā)生的目的[4 -6]。為此，以胡家河煤礦采空區(qū)積水探放水工程為例，對(duì)探放水設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行研究。

1 工作面概況

1.1 工作面水文地質(zhì)概況

402103綜放工作面是胡家河礦井在402盤區(qū)布置的第一個(gè)工作面，南側(cè)為大巷煤柱，北側(cè)為無(wú)煤區(qū)，西側(cè)為402102工作面(402盤區(qū)第2個(gè)工作面，已回采完畢)，東側(cè)為402104工作面(未開(kāi)采)，如圖1所示。該工作面可采長(zhǎng)度1 897 m，傾向長(zhǎng)180 m，可采面積341 460 m2，埋深586～710 m，工作面地層整體向北西及北北東方向傾斜，傾角3°～9°，一般在5°左右，可采煤層厚度平均為13 m，于2016年12月回采封閉結(jié)束。工作面涌水來(lái)源主要為頂板洛河組砂巖孔隙裂隙含水層，該含水層平均厚度332 m，富水性中等，工作面回采后洛河組含水層水通過(guò)導(dǎo)水裂隙進(jìn)入工作面形成持續(xù)穩(wěn)定出水，回采期間正常出水量400 m3/h、最大涌水量450 m3/h。

圖1 402103工作面位置示意Fig.1 Location diagram of 402103 working face

1.2 工作面積水區(qū)形成過(guò)程

402103工作面剖面整體成“V”字型，且運(yùn)輸巷整體低于回風(fēng)巷，因此工作面推采過(guò)最低點(diǎn)，后通過(guò)最低點(diǎn)附近2個(gè)導(dǎo)水聯(lián)巷將老空水經(jīng)運(yùn)輸巷導(dǎo)至402103泄水巷進(jìn)行滯后排水。402103工作面西側(cè)為402102工作面，該工作面整體走勢(shì)與402103工作面類似，且由于煤層賦存原因，402102工作面煤層整體低于402103工作面，因此在2個(gè)工作面之間設(shè)計(jì)施工導(dǎo)水聯(lián)巷，待402102工作面推采過(guò)最低點(diǎn)后，將402103工作面老空水通過(guò)導(dǎo)水聯(lián)巷利用高差自流至402102工作面采空區(qū)，然后2個(gè)采空區(qū)涌水經(jīng)最西側(cè)402102泄水巷排水系統(tǒng)將共同排至中央二號(hào)水倉(cāng)，至此402103泄水巷排水系統(tǒng)撤出、巷道封閉。之后由于采空區(qū)垮落導(dǎo)水通道堵塞，402103采空區(qū)在向斜軸部形成積水區(qū)，老空積水補(bǔ)給來(lái)源主要為頂板洛河組砂巖含水層水。

1.3 采空區(qū)水文物探成果

從402104回風(fēng)巷向402103采空區(qū)實(shí)施了直流電法探測(cè)，用以探查該采空區(qū)積水區(qū)位置和分布特征。圖2為402103工作面采空區(qū)積水異常成果圖，可以看出視電阻率等值線整體在42～56。結(jié)合相鄰巷道淋水情況，發(fā)現(xiàn)該段采空區(qū)積水范圍較廣，積水區(qū)已延伸至工作面邊界附近，該工作面上覆含水層水通過(guò)F7斷層及其裂隙向采空區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)給。402104回風(fēng)巷與402103工作面之間煤柱寬約39 m，橫向上可起隔水作用，故分析采空積水對(duì)402104工作面掘進(jìn)威脅有限，但隨著工作面回采，煤層裂隙發(fā)育同時(shí)受到F7斷層影響，防隔水煤柱穩(wěn)定性降低可能會(huì)造成水害事故，應(yīng)在回采前對(duì)402103采空積水區(qū)做疏放水工作。

圖2 402103工作面采空區(qū)積水異常成果Fig.2 Results of abnormal water accumulation in goaf of 402103 working face

1.4 面間防隔水煤柱留設(shè)情況

402104工作面與402103工作面間留設(shè)有39 m寬防隔水煤柱。其中，在工作面最低點(diǎn)402104回風(fēng)巷與402103水倉(cāng)間垂直煤柱為10 m，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六防隔水煤(巖)柱的留設(shè)公式計(jì)算2個(gè)工作面間防隔水煤柱寬度[7 -9]。

(1)

考慮受巷道掘進(jìn)以及沖擊地壓影響，煤體較為破碎，因此式(1)中K取3，M取4 m，p取0.4 MPa，Kp取0.2 MPa。得出2個(gè)工作面間防隔水煤柱寬度應(yīng)不小于14.7 m，但目前實(shí)際最小煤柱寬度為10 m，不滿足規(guī)定的要求。

2 采空區(qū)積水治理方法

2.1 工程背景

至402103工作面回采結(jié)束時(shí)涌水量為450 m3/h，4個(gè)月后就衰減至350 m3/h，20個(gè)月后衰減至130 m3/h，說(shuō)明工作面回采結(jié)束后老空垮落阻擋了回順側(cè)涌水未導(dǎo)流至泄水巷，造成工作面水量積聚水面上升，參考相鄰礦井內(nèi)已回采工作面涌水量變化趨勢(shì)分析，目前402103工作面涌水量約為290 m3/h，即回順側(cè)涌水量約為150 m3/h。隨著采空區(qū)水量不斷補(bǔ)給和相鄰402104工作面采掘活動(dòng)深入，加之向斜軸部附近防隔水煤柱寬度存在無(wú)法滿足回采期間阻隔高水頭積水區(qū)的可能，因此急需采取積水區(qū)探放水解危措施。

2.2 探放水方案

此次探放水工程目的是對(duì)402103積水區(qū)物探成果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)老空水進(jìn)行提前疏放，解除老空水害威脅。因此，探放水作業(yè)終孔位置為402103回風(fēng)巷及水倉(cāng)，均位于侏羅系延安組下段4號(hào)煤層中。鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防治水細(xì)則》，本次共布置探放水鉆孔9個(gè)(TF1～TF9)，開(kāi)孔位置均在402104回風(fēng)巷副幫側(cè)，孔徑均為94 mm，鉆孔施工前對(duì)鉆孔附近進(jìn)行注漿加固，然后安裝孔口管，并在孔口安設(shè)防噴閘閥。鉆孔具體參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔平、剖面布置如圖3所示。

表1 注漿鉆孔實(shí)際施工參數(shù)匯總

圖3 402103工作面積水區(qū)探放水鉆孔平、剖面Fig.3 Plan and profile of water detection and water release drilling hole in 402103 working face pools zone

2.3 探放水施工

探放水作業(yè)前在巷道最低點(diǎn)安設(shè)有2套排水系統(tǒng)，最大排水能力1 720 m3/h，安設(shè)3趟φ315 mm、1趟φ159 mm排水管，其間最大疏放水量為420 m3/h，完全滿足排水需求。探放水鉆孔由探放水隊(duì)采用專用ZDY-4000L型煤礦井下全液壓坑道鉆機(jī)施工，孔口安裝防噴分流閘閥，孔口管長(zhǎng)度均大于6 m，固管24 h后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，穩(wěn)壓3 MPa、持續(xù)時(shí)間30 min，歷時(shí)15 d完成全部鉆孔施工工作，探放水隊(duì)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，各單孔施工結(jié)束后進(jìn)行單孔驗(yàn)收，各孔施工時(shí)均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)執(zhí)行，探放水鉆孔相關(guān)情況匯總見(jiàn)表2。鉆孔初始涌水量除TF1孔較大外，其余各孔水量均較小，由于受施工前后順序影響各孔水壓有所不同。

表2 注漿鉆孔實(shí)際施工參數(shù)匯總

3 探放水工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

TF1孔由402104回風(fēng)巷穿過(guò)10 m厚保護(hù)煤柱至402103回風(fēng)巷，該孔貫通后水量最大且后續(xù)泄水期間水量一直較為穩(wěn)定，但受較高水壓壓力沖擊孔內(nèi)出水伴隨有煤渣出現(xiàn)?？紤]到煤柱穩(wěn)定性，該孔一直用閥門控制放水量。以上情況足以說(shuō)明采空區(qū)水壓達(dá)到一定值之后可以對(duì)煤柱造成較大破壞，尤其是煤柱內(nèi)施工有各類鉆孔時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格管控向防隔水煤柱內(nèi)施工各類鉆孔，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙應(yīng)及時(shí)采取注漿加固封堵等措施防止出現(xiàn)水害事故[10 -12]。本次探放水施工前以鉆孔為中心直徑2.5 m范圍內(nèi)對(duì)10 m厚煤柱進(jìn)行深淺孔注漿加固，注漿孔角度與探放水鉆孔角度一致，孔徑均為φ42 mm，全孔深下注漿管(其中孔底留0.5 m長(zhǎng)花管，其余為孔口管長(zhǎng))。所用注漿材料為SCPJG-2礦用復(fù)合加固材料(淺部孔和深部孔)和SCPJG-3高強(qiáng)度水泥(中部孔)，滿足加固速率快、強(qiáng)度高等要求。

3.2 疏放水?dāng)?shù)據(jù)分析

通過(guò)分析積水區(qū)疏放水期間水位及放水量變化，計(jì)算出不同水位標(biāo)高段采空區(qū)積水面積、積水量以及孔隙率，見(jiàn)表3。分析發(fā)現(xiàn)該工作面回采后煤層向上至頂板3～5 m處孔隙率為10%～70%，說(shuō)明該段煤巖體至直接頂段垮落較為充分，再向上巖層處于裂隙發(fā)育和彎曲下沉狀態(tài)空隙率較小，為3%～10%。402103積水區(qū)水位標(biāo)高和采空區(qū)空隙率變化關(guān)系如圖4所示，通過(guò)本次采空區(qū)疏放水觀測(cè)，對(duì)以往的采空區(qū)空隙率值界定進(jìn)行了科學(xué)地修訂，能夠?yàn)橐院蟛煽諈^(qū)水量判定以及治理工作提供可靠的依據(jù)。

表3 402103積水區(qū)疏放水期間各因素計(jì)算分析

圖4 402103積水區(qū)水位標(biāo)高和采空區(qū)空隙率變化關(guān)系曲線Fig.4 402103 water level elevation of pools zone and change curve of void ratio in goaf

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)約90 d疏放水最終402104回風(fēng)巷最低點(diǎn)低于積水區(qū)水面4 m左右，總疏放水量穩(wěn)定在160 m3/h。通過(guò)計(jì)算面間煤柱最小處10 m符合規(guī)定，說(shuō)明已基本消除了采空區(qū)積水對(duì)工作面安全生產(chǎn)威脅，工作面可以安全生產(chǎn)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)本次探放水作業(yè)綜合分析各孔泄水量以及壓力變化，對(duì)物探成果中富水異常區(qū)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，因此在本礦井以后的工作面采掘施工前，應(yīng)及時(shí)采取物探加鉆探方式查清巷道內(nèi)出水點(diǎn)水源，針對(duì)異常富水區(qū)域以及相鄰采空區(qū)積水進(jìn)行超前探查和疏放，以確保采掘施工不受水害威脅。