多采空區覆蓋下遠距高精度超前探放水技術的應用

成永斌

(開灤精煤股份有限公司范各莊分公司, 河北 唐山市 063100)

0 引 言

礦井水災是煤礦常見的災害之一,一旦發生輕則影響煤炭正常開采,重則會造成人員傷亡,危害十分嚴重[1]。我國很多煤炭企業已經開采多年,現階段已經進入了深部開采,然而在開采過程中最常見的水災形式就是采空區積水揭露。采空區積水屬于靜壓水,其特點是水量高度集中,補水差,一般含有酸性,有刺鼻味,有害氣體含量較高,一旦揭露,就來勢洶洶,防不勝防,不僅影響工作環境、降低煤的質量,而且對人員傷害和設備損害較大[2-5]。因此,選取正確的工藝和方法解除采空區積水,不僅能減低開采成本,而且可以改善工作條件,最大化保證開采人員的安全。

冀東某礦進入下組煤1325SX工作面煤層的開采,該工作面上覆有1325S、1327S和1427N采空區,并且同層內有1427N泄水巷,中間夾有多層灰巖含水層,屬于較為復雜水力關系的采空區積水區域。在對1325SX工作面回采過程中,頂板塌陷可能形成導水通道,導致上覆1325S、1327S和1427N采空區、1427N泄水巷的積水和煤層之間的灰巖水滲到工作面,造成涌水量突增,對人員和設備造成不可挽回的損失。

1 工作面概括

冀東某礦1325SX工作面位于一水平南三石門以南,走向長1129 m,傾向長182．2 m,面積205704 m2,煤厚0．7~2．32 m,煤層傾角6°~13°,在地面有第57號孔,此區域12S半與12S間距約1．5~5．5 m。區域直接頂和基本頂為9．32 m厚的石灰石巖。本次進行探放水的巷道為1325S運道巷、1327S工作面風道巷、1427N泄水巷,三條巷道都已經掘進完畢,其支護方式都為錨桿支護。1325S運道巷規格(寬×高)為6．5 m×3．6 m;1327S工作面風道巷規格(寬×高)為7．5 m×3．6 m;1427N泄水巷規格(寬×高)為4．8 m×3．5 m。

2 積水范圍圈定及積水量預測

2．1 積水范圍圈定

考慮到1325SX工作面上覆多個采空區積水情況復雜,常規的積水范圍圈定不能行之有效,因此對1325SX工作面超前探水工作采取了層次分析法(簡稱AHP)[6]。將與1325SX工作面存在復雜水利聯系的采空區和巷道看成一個系統,將這復雜系統按超前探放水的總目標順序分解若干區域探放水目標。

(1)1325S采后有一定積水空間,在1327S工作面施工時已打鉆疏放,考慮到時間較長,有可能形成二次積水,這會對1325SX面回采重新構成一定水患威脅;

(2)1427N采空區采后因泄水通道堵塞也可能有一定積水空間,對1325SX運道施工構成一定水患威脅;

(3)1325SX工作面同層的1427N泄水巷長197 m,上半段為12S下,下半段為12S。1325S可通過泄水巷預留泄水孔補給泄水巷,1427N采空區在12S段與泄水巷連通,水力聯系復雜,對探放水工作造成干擾,必須進行可靠的分析驗證;

(4)在第57孔區域,1325SX工作面與1325S工作面在此區域間距很小,約為1．3~4．2 m,同時因其年久失修,容易導致局部堵塞造成積水。最后結合水文關系圖、歷史開采資料確定了積水范圍的圈定,如圖1所示。

圖1 采空區位置關系、積水空間及鉆孔布置

2．2 采空區積水量預測

采空區積水范圍圈定后,確認積水量是探放水工作中至關重要的一環,需要收集詳細的水文地質資料,通過在采掘工程平面圖上全面分析研究,繪制出積水空間(見圖1),進而確定范圍和積水量,以正確指導老空水超前探放工作[7]。采空區積水計算公式為:

式中,F為采空積水區的水平投影面積,m2;K為充水系數,采空區取0．25~0．80,巖巷取0．8~1．0;L為巷道長度,m;M為采空區的平均采高,m;Q積為相互連通的各積水區總積水量,m3;∑Q采為有水力聯系的煤層采空區積水量之和,m3;∑Q巷為與采空區連通的各種巷道積水量之和,m;W為積水巷道原有斷面,m2;α為煤層傾角,(°)

其中充水系數K依據放水實驗及經驗,5年以下新采空區取0．32,5年以上老采空區取0．2;1325工作面區域煤層傾角6°~13°,α取平均值9°。

采用以上公式估算得各個采空區積空間:1325為4830 m3、1427為1500 m3、1427泄水巷為800 m3,合計7130 m3。

3 探放采空區積水設計

在分析1325SX工作面探放水施工過程中,水力聯系復雜,遠距離、小間距是探放水工程面臨的主要難題。通過1325SX工作面四鄰采空區水力聯系、采空區積水范圍、采空區內地質構造、煤層產狀等,依據《煤礦安全規章》[8]、《煤礦防治水規定》[9]決定采用遠距高精度超前探水方案,該探水技術跟傳統短距離回轉鉆探相比,可以有效減少鉆探工作量,節省成本,而且精準性高,安全性好,具有明顯的技術優勢和經濟優勢[10]。探放水鉆孔要求終孔位布置在積水區域最洼點。根據使用的鉆機的規格,選擇合適的方位、傾角、孔深,以此確定選擇合適的開孔位置,并依據探放水的先后順序進行編號。

3．1 探放水鉆孔布置

此次探放水工作共設計了6組鉆孔,見圖1。

(1)為有效探放1325S采空區積水,依據水文關系圖設計1325S積水區最佳點為鉆點,既在1325S運道768 m處施工打鉆,得到1＃鉆孔。

(2)1427N泄水巷下部出口經調查堵塞無水,為驗證1427N泄水巷積水段,依次設計于1325S運道807 m施工3個探水鉆孔,得到2＃孔鉆為泄水巷最洼點放水。為防止泄水巷下部出口段堵塞,積水補給至1427N采空區,施工3個鉆孔,若泄水巷下部出口沒有堵塞,則在泄水巷下段半施工4＃孔驗證泄水巷是否堵塞。

(3)為驗證1427N采空區積水,從泄水巷向1427N采空區最洼點施工5＃探水鉆孔。

(4)為驗證第57孔區域局部是否因堵塞造成積水,在此區域最低洼點進行鉆孔,得到6＃探水鉆孔。

3．2 鉆孔技術參數

依據探水鉆孔布置,按照鉆孔技術參數施工鉆孔。本次探放水鉆孔詳細參數見表1。

3．3 鉆進精度要求

上覆工作面1325S運道與1327S工作面風道間距很小,1427N泄水巷較為狹窄,小間距、遠距離探放采空區水對探放水工作的精度要求很高,1＃~4＃探放水鉆孔的精度見表2。

表1 鉆孔參數

表2 鉆孔精度

3．4 鉆進裝置安置要求

依據各個施工參數,結合現場實際,鉆探隊采取了帶導向鉆進,根據6個鉆孔編號依次進行施工,鉆進過程中多次進行角度核對嚴格控制鉆進角度,保證鉆孔精確施工到位。本次使用ZD-4000LD鉆機進行現場施工,開孔孔徑設計為110 m,終孔孔徑設計為75 m,使用鉆頭直徑為108 mm。采用Φ108 mm孔口承壓套管,均長10 m,用42．5＃水泥注牢,采用專用封孔器壓風吹水泥漿封孔,等水泥漿凝固24 h后進行掃孔,掃孔深度應該大于孔口管長0．5 m。掃孔24 h后,對封孔進行耐壓試驗,試壓1．0 MPa,30 min套管不動不漏視為合格,否則重注。驗證合格后,安裝閘閥和水壓表,從而能人為控制排放水,并根據采空區水量大小來調節閘閥,控制放水。

3．5 單孔涌水量預計

依據單孔涌水量估算公式,預計各探水鉆孔出水量。

式中,H為鉆孔出水口的水頭高度,m;c為流量系數,0．6~0．62;g為重力加速度,9．8 m/s2;q為鉆孔出水量,m3/s;ω為鉆孔斷面面積,m2。

按各探水鉆孔終孔孔徑計算鉆孔最大放水量Qmax分別為Q1max＝1．0 m3/min、Q2max＝0．79 m3/min、Q4max＝0．56 m3/min、Q5max＝0．59 m3/min,采掘單位據此安裝泵排水設施。

4 現場應用效果

1＃孔鉆透1325S采空區,初測采空區積水水頭壓力0．2 MPa,經鉆孔最大涌水量約0．6 m3/min。共計疏放采空區積水約3600 m3,通過施工該鉆孔,解除了上覆1325S采空區積水對1325SX工作面回采的水害威脅;2＃孔鉆透1427N泄水巷,初測采空區積水水頭壓0．14 MPa,涌水量約0．5 m3/min;3＃孔鉆透1427N泄水巷,涌水量約0．001 m3/min;4＃孔鉆透1427泄水巷,初測采空區積水水頭壓力0．064 MPa,涌水量約0．005 m3/min。根據以上探放水情況,解除了1427N泄水巷對1325S工作面回采的水害威脅。5＃孔鉆透1427N采空區,初測采空區積水水頭壓力0．07 MPa,涌水量約0．01 m3/min;施工6＃孔,該孔鉆透采空區,累計鉆進7 m,有明顯見空,無水。根據以上鉆孔驗證情況,徹底消除了工作面上覆采空區積水的水害威脅,確保了該工作面能夠安全回采。

5 結 語

通過此次遠距離、高精度探放采空區積水,1325SX工作面解除了水害威脅,能夠進行安全生產,同時總結了一套完善、科學、可行的探放水技術方案,積累了遠距離、高精度探水鉆孔設計、施工的寶貴經驗,為以后類似的探放水工程奠定了堅實的技術基礎。