淺析王莊煤礦老空區積水現狀及探防治理措施

王 斐

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

煤礦水害是威脅礦井安全生產的重大隱患之一，長期以來給國家和人民生命財產帶來嚴重損失[1-3]。而在威脅礦井安全的水害因素中，老空區水文地質條件復雜，不易準確判定積水情況及特征，受地質條件影響，老空區積水的層位、空間分布等特征也難以準確掌握，所以極易引起水害事故的發生[1-2]。王莊煤礦是一座特大型現代化高產高效礦井，井田水文地質條件復雜，且井田范圍內包括了幾處小煤窯，加之以前粗放型開采以及煤炭資源的逐步枯竭，現有生產及設計工作面多數受到老空區積水威脅，所以老空水探放工作對礦井安全生產具有重要意義。

1 王莊煤礦老空區積水現狀

王莊煤礦位于潞安礦區東南部，是潞安集團下屬的特大型現代化高產高效礦井，核定產能710萬t/a，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.7 m，傾角2～6°，開采深度標高+880～+350 m。王莊煤礦相鄰礦井包括常村煤礦、石圪節煤礦、漳村煤礦等，井田內有小煤窯17座。礦井主要充水來源包括采空區積水，3號煤層頂板二疊系砂巖裂隙水和第四系孔隙水直接充水源，大氣降水和地表水等間接充水源，3號煤層底板奧灰水間接充水水源等。礦井涌水量等級為中等類型。其中采空區積水主要包括井田內采空區積水、井田內小煤窯采空區積水、周邊礦井采空區積水，采空區積水等級為中等類型。目前，王莊煤礦對已有及規劃期開采范圍內的采空積水已經全部進行了針對性的疏排防治，達到了安全開采要求，但由于采空區積水是有補給源和動態變化的，加之采動影響可能溝通其它含水層和采空積水區，在規劃期間必須加強采空積水區的巡防排查工作，以防造成意外事故的發生。

2 老空區積水探防要求及主要技術措施

老空區積水的形成途徑主要包括水源古井、小煤窯廢棄礦井、廢棄巷道、采空區等，當礦井生產活動波及到積水源，或破壞老空區積水的防護煤巖層，老空水就會進入巷道或工作面，造成老空區積水水害事故。由于受到開采活動影響，或者地質資料的缺失，所形成的老空區水文地質條件復雜，含水量及所處層位不能確定，而老空區積水具有分散、孤立和隱蔽的特點，更提升了準確掌握積水空間分布的難度。目前，針對老空區積水有效探放的技術途徑為資料分析、物探探測、鉆探驗證、鉆孔疏放[3-5]。2019年8月，山西省應急管理廳、山西省地方煤礦安全監督管理局印發了《山西煤礦防治水“三專兩探一撤”規定》，強調煤礦防治水工作必須堅持“預測預報、挖掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，煤礦必須具備防治水專業技術人員、專門的探放水隊伍及齊全的探放水設備，并且建立健全防治水責任體系及主體責任，采用物探、鉆探等方法進行科學探放水。

1) 采用已有的地質資料對開采區域的水文地質條件、礦井開采情況、小煤窯等，參照礦井已有充水性圖和礦井等高線圖等資料進行綜合分析，查明老空水的可能充水水源，預測老空水的范圍及體積，為老空水預測預報提供理論依據。

2) 采用三維地震、瞬變電磁法、礦井音頻穿透技術、地質雷達等物探手段對老空區進行探測，圈定疑似老空區積水區域和分布[4]。

3) 采用鉆探手段對物探手段圈定的疑似區域進行驗證，并驗證老空區是否積水，以及進一步定性老空區的積水范圍及積水量。

4) 查明老空區積水后，向超前布置探放水鉆孔，為了防止老空區積水漏放，鉆孔應當根據老空區積水的賦存條件，具有足夠幫距、超前距和控制密度。并且根據資料分析設計老空水抽排路線，且待老空區積水放完后，應當進行補孔驗證。

3 王莊煤礦老空區積水探放實例

3.1 工作面概況

以7105工作面為例，該工作面位于+540 m水平71采區，工作面標高553～586 m，主采二疊系3號煤層，煤層均厚為6.69 m，煤層傾角在2～10°，運巷開口至900 m范圍為上山掘進，900 m至切眼段為下山掘進，7105運巷掘進過程中在運13前5 m揭露斷層F302，H=0.8 m，∠65°。7105工作面風、運巷掘進過程中充水因素主要為3號煤層頂板砂巖含水層裂隙水，涌水量較小，正常涌水量為3～5 m3/d，其次為相鄰的7103已采工作面采空區積水，見圖1。而7103工作面于2016年回采結束，根據回采期間工作面來水及工作面煤層賦存條件分析，7103運巷運15點附近為工作面最低點，7105切眼位于該區域內，為保證7105工作面安全回采需對7103采空區積水進行疏放。根據前期瞬變電物探探測(見圖2)及工作面等值線標高，圈定了預測積水區域范圍為4 038 m2(見圖1)，同時結合對老空水的化驗結果，分析老空水主要源于頂板K8、K10砂巖裂隙含水層。依據《煤礦防治水細則》采空區積水量計算公式計算得出(見式1)，7103采空區積水量為4 250 m3。

Q采=(K×M×F)/cosα

(1)

其中：Q采為采空區積水量，m3；K為采空區充水系數，0.3；M為采區平均采高，3.5 m；F為采空積水區水平投影面積，約4 038 m2； 為煤層傾角，平均值4°。

圖1 7105工作面抽排7103采空區積水示意

圖2 水平方向超前探測視電阻率斷面圖(1∶15 000)

3.2 探放水鉆孔布置

為了探放7103采空區積水，保證7105工作面的安全回采，嚴格按照《煤礦防治水細則》設計探放水鉆孔，見表1。待7105切眼掘進至240 m后在工作面右幫布置鉆場，按照前期循環物探成果設計鉆孔參數，鉆孔開孔位置為巷道底板以上1 m，并且根據鉆孔實際觀測水量及現場排水能力及時調整鉆孔施工進度和鉆孔數量。在切眼掘進至警戒線后停止掘進，首先對工作面正前方進行超前物探，針對物探異常區進行多角度探測，確定前方無水后方可繼續掘進，掘進至探水線后停止掘進，開始進行采空區疏放水工作。打鉆前進一步完善7105運巷排水系統，配備兩臺排水能力不小于60 m3/h的排水泵(一用一備)，鉆孔出水后通過直徑120 mm排水管集中排放至71/1號水倉。在打鉆過程中應當對鉆孔附近及孔內瓦斯及出水量進行全程監測，并且做好水災避災路線和排水路線。

4 結 語

7105切眼探放7103老空區積水，共布置了4個鉆孔，孔深累計146 m，均探透老空區，初始合計涌水量為21 m3/h，累計放水量11 430 m3，現場實測空口最大水壓為0.03 MPa，按照《煤礦防治水細則》規定安裝止水套管，并采取相關套管固結措施。除此之外，為了保證7105風巷的安全掘進，在巷道前進右幫每隔30 m布置探放水鉆孔，根據探測水量進行鉆孔數量的增加。目前，7105工作面已經開始回采，消除了7103老空區積水威脅，遏制了工作面的水害發生，保證了工作面安全生產。

表1 7105切眼及探水巷探水鉆孔設計