沿空掘巷工作面防治老空水實(shí)踐

郝先虎，奚向成，劉煜偉

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003；2.河南能源化工集團(tuán)鶴煤五環(huán)分公司，河南鶴壁 458000）

沿空掘巷工作面防治老空水實(shí)踐

郝先虎1，2，奚向成2，劉煜偉2

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003；2.河南能源化工集團(tuán)鶴煤五環(huán)分公司，河南鶴壁 458000）

鶴煤五環(huán)分公司3303上順槽在3301采空區(qū)下施工，受采空區(qū)積水威脅。防治水人員通過精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，順利疏放老空積水11 791.5 m3，為3303上順槽掘進(jìn)及將來3303工作面回采夯實(shí)安全基礎(chǔ)。本次防治老空水技術(shù)上全面，安全上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理，為鶴煤五環(huán)分公司防治老空水開辟了一條新的途徑。

老空水；沿空掘巷；探放水；效益

1 概況

1.1 礦井概況

鶴煤（集團(tuán)）公司五環(huán)分公司位于鶴壁礦區(qū)中部，開拓方式為立井、暗斜井、多水平主下山開拓。現(xiàn)開采煤層為石炭二疊系山西組二1煤，煤厚平均8 m，煤層傾角平均20°，經(jīng)過50余年的開采，生產(chǎn)地區(qū)已轉(zhuǎn)至三水平延深采區(qū)。

1.2 3303上順槽概況

3303 上順槽位于五礦33采區(qū)，在3301采空區(qū)下部，沿二1煤底板掘進(jìn)，與3301采空區(qū)之間只有2 m厚的煤柱相隔（原3301工作面下順槽沿二1煤頂板布置）。巷道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度506.6 m，巷道凈斷面4 482 mm×3 000 mm，采用U29型鋼支護(hù)，棚上鋪塑帶編制網(wǎng)配背木背幫頂。

1.3 3301老空積水區(qū)概況

3301 老空區(qū)中間被IIF01斷層和ⅢF96斷層抬高，而兩端較低，積水區(qū)劃分為外段和里段，見圖1。外段積水區(qū)水平投影面積為4 534 m2，預(yù)計(jì)積水量5 547 m3；里段積水區(qū)水平投影面積為6 300 m2，預(yù)計(jì)積水量7 709 m3。3301老空積水的補(bǔ)給水源為二1煤頂板砂巖水和ⅢF96斷層水，二1煤頂板砂巖水正常涌水量5 m3/h，ⅢF96斷層水為10 m3/h；治理前，3301采空區(qū)的正常補(bǔ)給水量為15 m3/h，最大為30 m3/h。

圖1 工作面布置及積水區(qū)示意圖

2 提前治理老空水，減少補(bǔ)給水量和老空積水量

1）在原3301上順槽埋管引水，減少對(duì)老空區(qū)的補(bǔ)給水量。ⅢF96斷層出水點(diǎn)位于3301上順槽上幫。3301工作面結(jié)束前，實(shí)測(cè)ⅢF96斷層水正常涌水量為10 m3/h，防治水人員埋設(shè)了1趟95 m長(zhǎng)150 mm鋼管將ⅢF96斷層水引出3107橫川密閉墻外，至今引出水量穩(wěn)定在10 m3/h。采取引水措施后，3301老空水的正常補(bǔ)給水量由15 m3/h降為5 m3/h，最大補(bǔ)給水量由30 m3/h降低為10 m3/h，為后期治理創(chuàng)造了條件。

2）在3301下順槽密閉上安設(shè)防漏風(fēng)放水器，防止3301采空區(qū)大量積水。該裝置工作原理為：a.密閉墻內(nèi)無水時(shí)，放水器上口的活動(dòng)壓蓋及皮墊處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不放水狀態(tài)的防漏風(fēng)功能。b.密閉內(nèi)的水位升高超過放水器出水口，放水器內(nèi)無負(fù)壓后，水通過壓力作用，從放水器出水口流出，放水器彎頭向上部分的水柱起到水密封的作用，（水柱300 mm高，壓強(qiáng)比礦井風(fēng)壓2 500 Pa大），實(shí)現(xiàn)放水狀態(tài)的防漏風(fēng)功能。c.如果補(bǔ)給水量變小，水位下降，放水器內(nèi)形成負(fù)壓，放水器上的活動(dòng)壓蓋及皮墊下落，堵住放水器外口，放水器處于關(guān)閉狀態(tài)，又實(shí)現(xiàn)不放水狀態(tài)的防漏風(fēng)功能。密閉墻防漏風(fēng)放水器組裝，見圖2。

圖2 密閉墻防漏風(fēng)放水器組裝圖

3 劃定“三線”，精確預(yù)計(jì)老空積水量

根據(jù)3301實(shí)測(cè)剖面圖以及下順槽密閉墻上泄水孔的標(biāo)高，確定積水外緣標(biāo)高，劃出積水線，積水線確定后，外推30 m為探水線，探水線外推60 m為探水警戒線，并繪制在礦井采掘工程平面圖和礦井充水性圖上，作為設(shè)計(jì)探放水工程設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。

3301工作面外段老空水積水量Qw：

式中：F為采空區(qū)積水區(qū)的水平投影面積，實(shí)測(cè)4 534 m2；K為采空區(qū)或巷道的充水系數(shù)，取0.3；α為煤層傾角，取17°；h為按301工作面實(shí)際回采情況，靠近下順槽位置平均采高，取3.9 m。經(jīng)計(jì)算，Qw≈5 547 m3；使用同樣方法計(jì)算出里段老空水積水量，QL≈7 709 m3。

4 探放水技術(shù)方案

4.1 鉆場(chǎng)布置及鉆孔設(shè)計(jì)

因3301積水區(qū)下部無合適的巖巷，于是在3303上順槽煤巷中設(shè)計(jì)了15個(gè)鉆場(chǎng)由外向內(nèi)實(shí)施探放老空水工程，鉆場(chǎng)間距為40 m；按《煤礦防治水規(guī)定》[1]，鉆孔超前距設(shè)計(jì)為30 m，并根據(jù)積水形態(tài)，上幫距設(shè)計(jì)為20 m，下幫距設(shè)計(jì)為10 m，每個(gè)鉆場(chǎng)均采用扇形布孔，見圖3。所有鉆孔均采用單孔設(shè)計(jì)，有具體的標(biāo)高、深度、方位、傾角等要素，鉆孔直徑為75 mm，采用ZBY-750型煤礦用全液壓鉆機(jī)配75 mm鉆頭、50 mm鉆桿進(jìn)行鉆探。

圖3 探放水鉆孔平面布置示意圖

4.2 地測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)跟班，監(jiān)控探放水全過程

鉆孔施工前，地測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)按設(shè)計(jì)標(biāo)定鉆孔方位和傾角，并跟班觀測(cè)，記錄放水量、水壓，監(jiān)測(cè)放水全過程，及時(shí)處理放水過程出現(xiàn)的問題。

根據(jù)礦體圍巖及鐵礦中的硫同位素δ34S值均介于-9.7～+2.2之間[11]，具未分異的隕石流的特點(diǎn)，說明這些物質(zhì)都來看自地幔。

4.3 控制放水速度，實(shí)現(xiàn)放水效率最大化

1）通過控制鉆孔直徑和數(shù)量來控制放水量。控制單孔放水量q，根據(jù)公式

控制最大放水量，要求探放水施工必須逐孔進(jìn)行，最大放水量控制為40 m3/h；作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所有鉆孔總放水量下降到10 m3/h以下，使用鉆機(jī)配鉆具捅孔處理水量無明顯增加，方準(zhǔn)進(jìn)行下一個(gè)放水孔的施工。

2）使用孔口控水裝置控制放水量。為了保證探放水安全，加快放水速度，提高探放水效率，應(yīng)盡可能使鉆孔總水量達(dá)到水泵的有效排量；但如此做將帶來另一個(gè)問題，如果放水量大于水泵排水量，將會(huì)造成水淹巷道[2]。針對(duì)上述情況，地測(cè)人員除了使用抗壓型的孔口控水裝置（10.5 m×100 mm，注水泥漿加固），還設(shè)計(jì)了一種快捷式的孔口控水裝置（3 m×100 mm，聚氨酯固定），該裝置使用方便，安裝速度快（僅需20 min即可完成安裝并投入使用），在水壓較小（一般小于0.03 MPa的）情況下控制水量，能達(dá)到提高放水效率目的。

4.4 認(rèn)真施工驗(yàn)證孔，掌握探放水結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

每個(gè)鉆場(chǎng)放水孔施工結(jié)束后，經(jīng)鉆機(jī)配鉆具捅孔處理后水量仍小于10 m3/h，應(yīng)在原出水鉆孔下方0.3±0.1 m位置，按出水孔的相同方位、傾角（或原傾角減少1°）施工至少1個(gè)驗(yàn)證鉆孔，孔徑75 mm，孔深至少比探水鉆孔多1 m。因?yàn)?301老空積水有動(dòng)水補(bǔ)給，補(bǔ)給水量經(jīng)前期治理小于10 m3/h。結(jié)束探放水工作必須同時(shí)滿足如下要求：鉆孔無明顯水壓，單孔涌水量均小于2 m3/h，總涌水量小于10 m3/h，驗(yàn)證孔施工后總水量無明顯增加。

4.5 嚴(yán)格控制準(zhǔn)掘距離

探放水結(jié)束后，地測(cè)副總帶領(lǐng)生產(chǎn)、安全、地測(cè)、機(jī)電等專業(yè)下井到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)探水效果進(jìn)行階段性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)無水害威脅后提交給總工；總工審核確定無水害威脅，地測(cè)科下達(dá)準(zhǔn)掘通知書，寫明準(zhǔn)許掘進(jìn)距離，施工單位方可掘進(jìn)。在施工過程中，地測(cè)科和安檢科派人監(jiān)督檢查，嚴(yán)禁超掘。

4.6 優(yōu)化排水、供電系統(tǒng)

探放水期間，本著安全、適用、經(jīng)濟(jì)的原則布置排水系統(tǒng)。

1）優(yōu)化排水系統(tǒng)組合方式。為降低排水系統(tǒng)的故障率，3303上順槽的兩組水泵采用并聯(lián)方式，而非串聯(lián)接力排水。所有水泵均可直排至延深軌道一車場(chǎng)[3-5]。

2）優(yōu)化排水管路。按放水量控制在40 m3/h，排水管路的排水能力取Qp=48 m3/h。100 mm排水管路在經(jīng)濟(jì)流速（取1.8 m/s）時(shí)，過水能力可達(dá)到50.9 m3/h，因此選用一趟558 m×100 mm鋼管作為排水管路，連接到3301中巷原有的155 m×150 mm排水管路上，可從迎頭泵窩直排至三水平延深軌道水溝。

3）精確計(jì)算水泵型號(hào)。根據(jù)公式：

式中：P為水泵動(dòng)率，kW；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 N/kg；Q為水泵設(shè)計(jì)流量，100mm管在經(jīng)濟(jì)流速1.8 m/s時(shí)，流量0.014 139 m3/s，該值定為水泵設(shè)計(jì)流量；h為靜揚(yáng)程，出水口與水泵吸水口的高度差，取5 m；hf1長(zhǎng)為558 m×100 mm排水管的沿程水頭損失，查表并計(jì)算取38.7 m；hf2為長(zhǎng)155 m×150 mm排水管的沿程水頭損失，查表并計(jì)算取6.3 m；∑hj為局部水頭損失，共6個(gè)直角彎頭，查表并計(jì)算取6 m；n1為水泵效率，由于使用的多為翻新泵，效率偏低，取50%；n2為電機(jī)效率，一般取80%。

經(jīng)計(jì)算，P=19.4 kW，根據(jù)計(jì)算的水泵功率，選用BQZ—22 kW潛水泵，該泵的設(shè)計(jì)流量為30 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為100 m；在56 m（統(tǒng)計(jì)h+hf1+hf2+∑hj）的揚(yáng)程下使用，實(shí)際流量可達(dá)到50 m3/h。在探放水作業(yè)地點(diǎn)，潛水泵至少有2臺(tái)，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，總排水能力不小于60 m3/h。

4）完善雙回路供電系統(tǒng)。探放水期間，水泵分為2組，每組水泵的電源取自獨(dú)立的母線端。采用雙回路供電的優(yōu)點(diǎn)是假如其中一組水泵的電源有故障時(shí)，另一組水泵可正常排水。

5 效果及效益評(píng)價(jià)

1）防治水效果。共施工15個(gè)鉆場(chǎng)111個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺3 957.7 m；累計(jì)放出積水11 791.5 m3。經(jīng)評(píng)價(jià)，掘進(jìn)頭前上方的老空積水全部疏放完畢，為3303上順槽安全掘進(jìn)及將來的3303工作面安全回采奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。治理老空水達(dá)到了預(yù)期目的。

2）安全經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。成功疏放出老空積水11 791.5 m3，及時(shí)消除了3301老空水突水威脅；進(jìn)一步探明了3303上順槽煤層的賦存狀態(tài)、地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件；增加了礦井防治水達(dá)標(biāo)煤量47.8萬(wàn)t，保證五環(huán)分公司回采工作面的正常接替；通過成功治理老空積水，為今后在我礦防治老空水工作積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，也為類似條件的礦井防治老空水工作提供了借鑒。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2]張正浩.煤礦水害防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[3]馮之前，唐振偉.復(fù)雜水文地質(zhì)條件老空水探放實(shí)踐[J].中州煤炭，2014（5）：69-71.

[4]武瑞英.半煤巖沿空掘巷消除老空水影響的技術(shù)研究[J].河北煤炭，2011（3）：33-34.

[5]鄧英華.礦井排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭與化工，2014（9）：77-79.

Practice of Goaf Water Control in Roadways Driving along Goaf

HAO Xianhu1,2,XI Xiangcheng2,LIU Yuwei2
(1.Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;
(2.Wuhuan Branch of Hebi Coal Co.,Ltd.,Henan Energy and Chemical Industry Group,Hebi 458000, China)

Due to construction under No.3301 goaf,the upper gateway of No.3303 coal seam was threatened by goaf water in Wuhuan Branch of Hebi Coal Co.,Ltd.By precise prediction,water control staffs smoothly drained goaf water of 11 791.5 m3in volume,which laid solid foundation for the gateway driving and caving of the No.3303 coal seam.The technology was comprehensive,reliable,and economical,which developed a new way for the goaf water control.

goaf water;roadways driving along goaf;water exploration;benefits

TD745

A

1672-5050（2015）03-0038-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.014

（編輯：樊敏）

2015-02-26

郝先虎（1979-），男，河南鄧州人，碩士，工程師，從事煤礦防治水和開拓技術(shù)管理工作。