王莊煤業(yè)3401采空區(qū)積水探放技術(shù)應(yīng)用

王海峰

(山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

水災(zāi)作為煤礦五大自然災(zāi)害之一，長期威脅著礦井的安全生產(chǎn)。我國煤炭開采歷史悠久，由于煤礦小窯的無序開采，形成了大量采空區(qū)，而這些采空區(qū)大多數(shù)沒有留下任何資料，開采情況不明。這些采空區(qū)中往往會存在大量以靜態(tài)為主的積水，受到煤層采動影響，可以在短時間內(nèi)涌出，攜帶大量煤巖塊及有害氣體，給工作面安全開采帶來極大威脅。因此在工作面回采前必須對采空區(qū)進(jìn)行探放水，最大限度地降低采空區(qū)積水對工作面造成潛在影響。

1 工程概況

王莊煤業(yè)位于長治市南部，距長治市直線距離約26 km，兼并重組整合礦井，核定生產(chǎn)能力為240萬t/a。礦井目前開采3號煤層，基建15號煤層，3號煤層層位、厚度穩(wěn)定。煤層平均厚度4.85 m，煤層傾角1～11°，共分為8個采區(qū)，井田范圍內(nèi)存在多個小窯采空區(qū)，采空區(qū)范圍不詳。礦井正常涌水量為89.6 m3/h，最大涌水量為167.50 m3/h。

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告及地面瞬變電磁法探測成果，K8砂巖較強(qiáng)的富水區(qū)4處，面積344 205 m2，對開采影響較大。3號煤層的主要隔水層是位于3號煤層之上的二疊系砂巖含水層層間隔水層，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，呈層狀分布于各砂巖含水層之間，能阻隔或減弱含水層之間的水力聯(lián)系。根據(jù)前期3號煤層各采區(qū)物探成果及探放水情況，3號煤層采空區(qū)主要位于本區(qū)內(nèi)北部、北中部、東部，采空區(qū)內(nèi)不同程度地存在積水，其中3401采空區(qū)都有一定積水量存在，會對礦井安全生產(chǎn)造成一定威脅，因此決定提前對3401采空區(qū)進(jìn)行探放水作業(yè)。

2 3401采空區(qū)超前鉆探

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，需要重新掘進(jìn)一條南翼探巷對采空區(qū)進(jìn)行探放水，探巷先沿煤層頂板掘進(jìn)，后起底成巷掘進(jìn)，設(shè)計(jì)鉆孔布置采用鉆探40 m，允許掘進(jìn)10 m，始終保持30 m超前鉆距的作業(yè)方式進(jìn)行。

超前鉆孔采用扇形布置，共布置9個鉆孔，其中距巷道底板0.9 m布置1號、2號、3號、4號、5號5個孔，傾角-4°，鉆探煤層底板區(qū)域，向前呈放射狀；距巷道底板1.0 m布置6號、7號、8號3個孔，傾角與巷道掘進(jìn)方向底板坡度平行布置；距巷道底板1.1 m布置9號，傾角+3°，鉆探煤層頂板區(qū)域。打孔順序：先鉆探7號孔，依次為1號、2號、3號、4號、5號、6號、8號、9號孔。鉆孔布置如圖1所示。鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖1 超前鉆孔布置(m)

表1 鉆孔參數(shù)

根據(jù)鉆探結(jié)果，鉆孔涌水量如表2所示。由表可以看出，鉆孔1～4號、7～9號均出現(xiàn)了不同程度的涌水現(xiàn)象，總涌水量達(dá)到了61.1 m3/h，進(jìn)一步表明3401采空區(qū)存在富水區(qū)，需要進(jìn)行疏放水作業(yè)。

表2 探放水孔涌水量 m3/h

3 3401采空區(qū)疏放水設(shè)計(jì)

3.1 鉆場位置選擇

根據(jù)現(xiàn)場煤層實(shí)際情況，南翼探巷設(shè)計(jì)時，巷道與積水區(qū)留有20.0 m厚的保護(hù)煤柱，為了進(jìn)一步確保巷道施工安全，對3401采空區(qū)疏放水時設(shè)置1個鉆場，巷道掘進(jìn)到低洼地點(diǎn)時，布置1號鉆場，在巷道左幫設(shè)置1個放水硐室(深3 m、寬4 m、高5 m)，提前疏放3401工作面的采空區(qū)積水，降低該采空區(qū)積水對掘進(jìn)的風(fēng)險。

3.2 疏放孔設(shè)計(jì)

在1號鉆場內(nèi)，距巷道底板1.0 m處垂直于巷道左幫布置3個放水孔，鉆孔間距1.0 m，對3401工作面采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。預(yù)計(jì)巷道底板標(biāo)高為970 m，煤層底板標(biāo)高預(yù)計(jì)為968 m，積水標(biāo)高為978 m，鉆機(jī)架設(shè)高度為1.0 m，預(yù)計(jì)本次疏放3401采空區(qū)積水水頭高度為9 m。具體位置和鉆孔布置方式見圖2。

圖2 1號鉆場疏放水孔設(shè)計(jì)示意(m)

3.3 鉆探要求

探水孔可兼做堵水或疏水孔用，終孔孔徑不大于94 mm，施工時先用直徑50 mm鉆頭打孔，然后用直徑150 mm的鉆頭擴(kuò)孔，再下設(shè)套管為D100 mm的無縫鋼管10 m，再用鉆頭直徑50 mm正常探水，待出水后用直徑75 mm的鉆頭擴(kuò)孔放水，鉆孔出水后要安設(shè)閘閥和測壓表，控制水量和觀測水壓數(shù)值。止水套管安裝示意如圖3所示。

圖3 止水套管安裝位置示意

止水套管外露部分，水管上預(yù)留1個甩頭安裝壓力表；端頭焊接法蘭盤，以便安裝流量計(jì)和閥門。止水套管和孔壁之間用專用的封堵囊袋進(jìn)行封堵。用zbq—27/1.5煤礦用氣動注漿泵向?qū)Ｓ梅舛麓鼉?nèi)注水泥漿實(shí)現(xiàn)封堵、固結(jié)套管的目的。為防止水壓將套管沖出，在套管兩側(cè)的煤壁上打錨桿加以輔助固定。固定后進(jìn)行掃孔，待深度超過孔口管長度后，向孔內(nèi)壓水，并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，如水壓值達(dá)到預(yù)計(jì)放水水壓的1.5倍，并穩(wěn)定30 min，孔口管周圍沒有漏水現(xiàn)象，說明符合要求，否則仍需注漿加固。

放出的水流入臨時水倉內(nèi)再逐級排放至中央水倉。鉆場放置一定數(shù)量磚、水泥、沙等物，以備放水時構(gòu)建擋水墻。放水時要嚴(yán)格控制放水量，其最大放水量不得超過70 m3/h。當(dāng)放水鉆孔無水外流且壓力顯示為0 MPa后，方可確定放水結(jié)束。

4 探放水效果評價

通過對3401采空區(qū)積水疏放，截止3號疏放水孔封孔，該鉆場累計(jì)疏放水量21 333.6 m3。放水量隨時間變化規(guī)律如圖4所示。隨著時間的推移，采空區(qū)積水疏放量先逐漸增加后趨于穩(wěn)定。由圖可知，疏放水早期由于鉆孔未完全穿透、孔徑不夠等，疏放水量增速較為緩慢，之后對各探孔進(jìn)行穿透及擴(kuò)孔后疏放水量增長較快，后期隨著疏放水時間的持續(xù)，疏放量趨于平緩，說明3401采空區(qū)積水已經(jīng)疏放完畢。

圖4 疏放水量隨時間變化曲線

3個探放水孔中，2號鉆孔疏放水時間最長。圖5為2號鉆孔水壓隨時間是變化規(guī)律。由圖5可知，隨著疏放水時間的持續(xù)，鉆孔水壓持續(xù)降低，由起初的1.58 MPa逐漸減小，下降到0 MPa左右，進(jìn)一步證明3401采空區(qū)積水已經(jīng)疏放完畢，解決了礦井水害威脅。

圖5 鉆孔水壓隨時間變化曲線

5 結(jié) 語

通過對3401采空區(qū)水患分析，通過超前鉆探準(zhǔn)確掌握了采空區(qū)分布范圍。鉆探結(jié)果顯示，3401采空區(qū)存在富水區(qū)，必須進(jìn)行疏放水。通過實(shí)施疏放水工程，累計(jì)疏水總量達(dá)到21 333.6 m3后趨于穩(wěn)定，疏放水孔水壓也由1.58 MPa降低到了0 MPa左右，證明采空區(qū)積水已經(jīng)疏放完畢，為礦井消除了水患影響，保證了礦井安全生產(chǎn)。