上覆采空區(qū)積水影響分析及探放水技術(shù)

劉忠杰

（山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030006）

在下部煤層開采過程中，由于采動應(yīng)力影響，在工作面上部會形成大范圍的冒落帶、裂隙帶和離層帶，有可能與上部煤層采空區(qū)積水導(dǎo)通，從而威脅下部工作面安全開采[1-3]。下組煤開采時，由于上部采空區(qū)可能存在大量積水，必須加強對上部采空區(qū)積水的疏放[4-5]。豹子溝煤業(yè)目前開采9+10+11#煤層，其上部存在大量的2#煤采空區(qū)，以往在進行上覆采空區(qū)探放水設(shè)計時，沒有進行上覆采空區(qū)積水對下部工作面的影響情況分析，探放水設(shè)計具有盲目性，工程量大，疏放效果不理想，工作面涌水量大，嚴重影響下部工作面正常安全開采。

1 工程概況

豹子溝煤業(yè)為兼并重組礦井，整合前主要開采2#煤層。經(jīng)過近二十多年的開采，井田北部2#煤層資源已枯竭，重組整合后主要開采9+10+11#煤層，采煤方法為綜合機械化放頂煤開采。9#煤層厚度0.5～0.85m，平均厚度0.6m，不含夾石，結(jié)構(gòu)簡單。頂板巖性為石灰?guī)r，局部為泥巖，底板巖性為泥巖。10+11#煤層總厚度2.9～4.0m，平均厚度3.6m，含3～5層夾石，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂板巖性為泥巖，底板巖性為泥巖、粉砂巖或鋁質(zhì)泥巖。10105工作面設(shè)計走向長1199m，傾斜寬170m，工作面煤層走向26°～308°，傾向116°～218°，地層傾角為2°～9°，平均4°。根據(jù)該區(qū)域地面瞬變電磁探測結(jié)果，2#煤層老空區(qū)內(nèi)存在一處積水。

2 上覆采空區(qū)積水影響分析

2.1 煤層空間關(guān)系

10105工作面所采9+10+11#煤層與上部2#煤層的垂直距離為82.44～88.13m，平均層間距為84.71m。10105工作面區(qū)域2#煤層底板最低標高為+1105m，直接頂?shù)装宥酁槟鄮r、粉砂巖；9+10+11#煤層底板最低標高為+1008m，煤層直接頂板為泥巖或K2石灰?guī)r，老頂為K2灰?guī)r，底板為泥巖、粉砂巖。9+10+11#煤層與2#煤層之間大部分地段含K2、K3、K4三層灰?guī)r含水層。

2#煤層開采過程中形成的導(dǎo)水裂隙帶，溝通了上覆地層中各含水巖組之間的水力聯(lián)系，并在一定程度上溝通了與礦區(qū)外含水巖組之間的水力聯(lián)系。在9+10+11#煤層10105工作面開采過程中，受冒落導(dǎo)水裂隙帶的影響，將更進一步溝通太原組各含水層之間和2#煤層以上各含水巖組之間的水力聯(lián)系，同時在一定程度上溝通了與礦區(qū)外含水巖組之間的水力聯(lián)系。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶高度計算

10105工作面9+10+11#煤層的直接充水含水層為其頂板灰?guī)r裂隙含水層，10105工作面開采時形成的導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶最大高度），可能溝通上覆其他含水層和上部2#老空區(qū)積水，使其潰入10105工作面，影響工作面安全生產(chǎn)。

按國家相關(guān)規(guī)定計算2、9+10+11#煤層頂板垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶如表1。根據(jù)表1計算可知，9+10+11#煤層導(dǎo)水裂縫帶最大高度為176.80m，大于9+10+11#煤層與2#煤層之間的距離。9+10+11#煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙會與上部2#煤層老空區(qū)溝通，10105工作面開采時，存在上部2#老空區(qū)積水滲入下組煤10105工作面的可能，因此，在10105工作面開采前要加強對上覆2#老空區(qū)積水的探放工作。

表1 各煤層垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶最大高度計算表

2.3 上覆采空區(qū)積水

根據(jù)物探結(jié)果可知，10105工作面周邊有4處上覆老空區(qū)積水，分別為：（1）北部2#煤層老空區(qū)積水在10103工作面探放時已全部疏放完畢；（2）西南側(cè)有1處2#煤層老空區(qū)積水，編號15#，積水面積為9736m2，積水量約為14750m3，該積水區(qū)距10105工作面約85m。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，計算得知10105工作面回采后對2#煤層影響范圍25m，故15#積水區(qū)對該工作面無影響，本次探放水暫不疏放；（3）西側(cè)和東側(cè)各有1處2#煤層老空區(qū)積水，編號14#和ZB-2，估算老空區(qū)積水面積為22579m2，積水量為7964m3（詳見表2）。該兩處2#煤層老空區(qū)積水對工作面掘進構(gòu)不成威脅，但對工作面回采有一定影響。為保證10105工作面的安全回采，在10105工作面回采之前必須對14#和ZB-2積水區(qū)進行疏放。

表2 影響10105工作面安全回采的2#老空區(qū)積水表

3 探放水設(shè)計

3.1 鉆場布置

10105工作面相鄰的北部10103工作面上覆2#煤層老空水已全部疏放完畢，本次上覆2#煤層老空區(qū)鉆場布置在10105工作面回風順槽，共布設(shè)2個鉆場，8個探放水鉆孔，鉆探總進尺888m，鉆場規(guī)格為凈寬×凈深×凈高=4.5m×4.5m×3.2m，硐室采用錨桿（網(wǎng)）+錨索支護。

3.2 鉆孔布置

在10105運輸順槽上覆2#煤層老空水探測鉆場編號為1號和2號，1號鉆場布置5個孔，2號鉆場布置3個孔，鉆探進尺888m。鉆孔布置詳見探放水鉆孔參數(shù)表3。各探放水鉆孔參數(shù)應(yīng)根據(jù)施工過程中鉆孔出水情況進行調(diào)整，以保證探放水鉆孔的有效性。根據(jù)鉆探和出水情況可適當增減鉆孔數(shù)量，鉆孔施工順序原則上按照鉆場及鉆孔編號依次施工（施工過程中，遇到特殊情況可進行調(diào)整），在放水過程中如遇堵孔要及時進行捅孔，保證正常放水。1號鉆場鉆孔坡面布置圖見圖1所示。

3.3 單孔設(shè)計

探放水鉆孔全孔分二級孔徑，一級套管結(jié)構(gòu)。先選取Ф133mm的鉆頭，鉆進7.5m后，將孔內(nèi)沖洗干凈，退出鉆桿，再將預(yù)先準備好的Ф108mm的鋼質(zhì)套管7m放入孔內(nèi)（初期使用7m的鋼制套管，后期可根據(jù)實際測定的水壓按《煤礦防治水細則》選用相應(yīng)長度的套管）。在套管安裝之后，采用425#水泥進行封孔，封孔壓力1.5MPa，待水泥凝固48h后透孔并做耐壓試驗30min，確定封孔質(zhì)量合格后方可鉆進。單孔結(jié)構(gòu)見圖2，防噴裝置見圖3所示。

表3 探放水鉆孔參數(shù)表

圖1 鉆孔剖面示意圖

圖2 單孔結(jié)構(gòu)圖

圖3 防噴裝置圖

4 應(yīng)用效果分析

通過煤層空間關(guān)系、導(dǎo)水裂隙帶高度計算，并結(jié)合槽波探測積水情況，綜合分析確定了需要疏放的上覆采空區(qū)積水范圍和積水量，并進行了疏放水鉆孔設(shè)計，節(jié)省了鉆孔施工工程量，并有效解除了上覆采空區(qū)積水對工作面開采的影響，保證了工作面安全開采。本次探放水施工總工期為23d，共計施工12個探放水鉆孔，總計鉆進進尺為1033m；工作面回風順槽和運輸順槽同時排水，排水能力在55m3/h，總計疏放水時間為6.3d，總計排水量為8325m3。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)豹子溝煤業(yè)10105工作面地質(zhì)條件，分析了9+10+11#煤層與上部2#煤層之間的層位關(guān)系，并對10105工作面開采的導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算，其最大高度為176.80m，大于9+10+11#煤層與2#煤層之間的距離84.71m。上部2#老空區(qū)積水有可能滲入下組煤10105工作面，在10105工作面開采前要加強對上覆2#老空區(qū)積水的探放工作。

（2）對10105工作面上覆2#煤層采空區(qū)積水進行分析，認為工作面西側(cè)和東側(cè)老空區(qū)積水對工作面回采有一定影響，采前應(yīng)對其進行疏放，估算積水面積為22579m2，積水量為7964m3，并由此在10105運輸順槽設(shè)計了兩個探放水鉆場?，F(xiàn)場實際疏放水量為8325m3，通過疏放水解除了上覆采空區(qū)積水對工作面開采的影響，保證了工作面安全生產(chǎn)。