四老溝煤礦水災(zāi)預(yù)治理技術(shù)實(shí)踐

趙 通

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤礦水災(zāi)是造成煤礦人身財(cái)產(chǎn)損失的原因之一，發(fā)生煤礦水災(zāi)時(shí)，其應(yīng)急救援非常困難，也會(huì)對(duì)煤礦造成很大程度的破壞。尤其在水源較為豐富的地方，發(fā)生水災(zāi)可能直接導(dǎo)致礦井淹沒(méi)[1-2]。而水災(zāi)過(guò)后，井下生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備基本全部報(bào)廢，并且難以開(kāi)展排水修巷等工作。因此，針對(duì)煤礦水災(zāi)的預(yù)前處理、防治[3-4]有非常重要的意義。

四老溝煤礦C3-5#層8102工作面上部存有老空區(qū)積水，若開(kāi)采時(shí)不對(duì)上部老空區(qū)存在的積水進(jìn)行處理，就易產(chǎn)生煤礦水災(zāi)事故的問(wèn)題。根據(jù)8102工作面所測(cè)的上部老空區(qū)積水的積水儲(chǔ)藏量以及其工作面上部相關(guān)巖層厚度的具體參數(shù)，通過(guò)理論分析計(jì)算出掘進(jìn)期間的防隔水煤柱、巖柱和回采期間的防隔水煤柱或巖柱厚度，從而為掘進(jìn)或回采前期探放水提供相關(guān)參考參數(shù)；對(duì)此次探放水選擇了物探、化探、鉆探三者相結(jié)合的方式，確定了具體的施工參數(shù)，并通過(guò)實(shí)際排水，解除了四老溝煤礦C3-5#層8102工作面的水災(zāi)隱患。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

C3-5#層8102工作面5102巷及其繞道井下位于3-5#層主運(yùn)大巷北部，工作面東部為四老溝煤礦與白洞煤礦礦界，北部、西部未開(kāi)拓。C3-5#層8102工作面5102巷走向長(zhǎng)735 m。該工作面同層?xùn)|部與白洞煤礦相鄰，南部是四老溝煤礦3條盤(pán)區(qū)大巷，西、北兩面無(wú)采掘情況。對(duì)應(yīng)上覆的4#、8#、11#層存有一定的采空區(qū)積水，積水量約為5萬(wàn)m3。8102工作面整體為一單斜構(gòu)造，整體南部較高，東部較低。該工作面部分位于火成巖侵入范圍內(nèi)，工作面高差為50 m左右。該工作面東部79 m有F4斷層，H=10 m，∠69°。預(yù)計(jì)工作面內(nèi)將有F4斷層出現(xiàn)以及陷落柱其衍生的小斷層。在工作面西部190 m處有一陷落柱。

1.2 水患分析

根據(jù)該工作面周邊積水和構(gòu)造情況分析，水害隱患主要為東部白洞煤礦上覆侏羅系4#、8#、11#層采空區(qū)積水和斷層區(qū)域，易發(fā)生水害事故。該工作面上覆4#煤層主要為402盤(pán)區(qū)8201、8202、8203、8204、8205、8206、8207、8208、8209、8210工作面采空區(qū)，層間距約410 m，8#層盤(pán)區(qū)巷，11#層輔301盤(pán)區(qū)81002、81004、81006、81008、81010、81012工作面。現(xiàn)估計(jì)上覆存有約5萬(wàn)m3積水，在掘進(jìn)施工過(guò)程中需要施工探頂孔，且在工作面進(jìn)行回采工作前應(yīng)對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行相關(guān)的探放水分析研究，進(jìn)行采空區(qū)積水探放。

2 隔水煤(巖)柱的厚度理論分析

理論計(jì)算的防隔水煤柱、巖柱[5-6]分為掘進(jìn)期間的防隔水煤柱、巖柱和回采期間的防隔水巖柱。掘進(jìn)期間的防隔水煤柱、巖柱又分為掘進(jìn)前方預(yù)留的防隔水煤柱和可能存在的上覆積水層底板至掘進(jìn)工作面頂板之間的防隔水巖柱。回采期間的防隔水巖柱主要為回采工作面頂板至可能存在的上覆積水層底板之間的防隔水巖柱。

2.1 掘進(jìn)期間同層積水隔水煤柱的厚度理論計(jì)算

斷層含水或?qū)畷r(shí)，隔防水煤柱、巖柱公式為

(1)

式中：L—煤柱留設(shè)的寬度，m；K—安全系數(shù)(一般取2～5)；M—煤層厚度或采高，m；P—水頭壓力，MPa；KP—煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。根據(jù)C3-5#層8102工作面地質(zhì)條件，安全系數(shù)K為5，煤層的厚度M為12 m，水頭壓力P為0.1 MPa，煤的抗拉強(qiáng)度Kp為1.0 MPa。經(jīng)計(jì)算，3-5#層安全隔水煤柱厚度理論值為16 m。

2.2 掘進(jìn)期間上覆積水防隔水巖柱厚度計(jì)算

3-5#層掘進(jìn)時(shí)頂板隔水巖柱按《煤礦防治水規(guī)定》要求必須大于掘進(jìn)高度的10倍，則防隔水煤巖柱要求高度為

H>12×10=120 m

據(jù)計(jì)算值，因3-5#層和上覆最近的11#層層間距為300 m左右，大于120 m，但3-5#層和上覆11#層之間有較大量的采空區(qū)積水，故在掘進(jìn)時(shí)需施工探頂孔。

2.3 回采期間上覆積水防隔水巖柱厚度計(jì)算

回采時(shí)頂板隔水巖柱高度必須大于頂板導(dǎo)水裂隙帶高度以及與保護(hù)層厚度之和。頂板隔水巖柱高度應(yīng)為

H>HL+HB

(2)

式中：HL—頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，m；HB—保護(hù)層厚度，m。

再根據(jù)“三下”采煤理論公式

(3)

式中：HL—頂板導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M—開(kāi)采層累計(jì)采厚，3-5#層因只開(kāi)采一層煤，故取采厚為12 m。計(jì)算得HL為113.9 m。

計(jì)算保護(hù)層厚度

HB=7A

(4)

式中：HB—保護(hù)層厚度，m；A—采高，取12 m。計(jì)算得HB為84 m。

所以3-5#層回采時(shí)頂板隔水巖柱高度理論計(jì)算值為

H>HL+HB=113.9+84=197.9 m

因3-5#層和上覆11#層層間距約為300 m，大于計(jì)算值。但為確保安全，3-5#層8102工作面回采前(兩順槽掘進(jìn)時(shí))必須編制專(zhuān)項(xiàng)探放水設(shè)計(jì)，對(duì)上覆區(qū)域可能存在的積水予以探放。

3 探放水設(shè)計(jì)及實(shí)踐

掘進(jìn)期間應(yīng)該物探、化探與鉆探相結(jié)合[7-9]，先進(jìn)行物探與化探，再進(jìn)行鉆探。具體要求是必須在掘進(jìn)端頭先進(jìn)行物探，如巷道內(nèi)掘進(jìn)端頭有淋水，必須及時(shí)進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)。根據(jù)物探和水質(zhì)化驗(yàn)綜合分析結(jié)果，科學(xué)合理地布置鉆探孔，對(duì)前方、上方及左右兩方進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

3.1 井下物探

施工設(shè)計(jì)：采用瞬變電磁法進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，共布置橫向探測(cè)方向13個(gè)，其可分為左幫巷道面(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)右側(cè)幫巷道面(0°、15°、30°、45°、60°、75°)。橫向探測(cè)的每個(gè)方向總共設(shè)置3個(gè)縱向不同探測(cè)角度，在與巷道頂板成45°夾角情況下，對(duì)巷道前方頂板進(jìn)行探測(cè)；在沿著巖層方向情況下，向其前方直接進(jìn)行探測(cè)；在與巷道底板成45°夾角情況下，對(duì)巷道前方底板進(jìn)行探測(cè)；13個(gè)水平不同探測(cè)方向總計(jì)39個(gè)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。所有異常區(qū)角度以設(shè)計(jì)探測(cè)角度為準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)施工布置：現(xiàn)場(chǎng)施工布置按照施工設(shè)計(jì)進(jìn)行，從180°開(kāi)始，間隔15°，一直到0°結(jié)束。分13個(gè)水平探測(cè)方向，收集總計(jì)39個(gè)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

結(jié)論分析：每次物探有效探測(cè)距離為100 m。根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)前方地質(zhì)及水文地質(zhì)情況進(jìn)行分析，如無(wú)低阻異常區(qū)，在鉆探驗(yàn)證的基礎(chǔ)上可向前掘進(jìn)80 m，留設(shè)20 m安全距離。

3.2 超前鉆探

鉆孔布置：物探無(wú)異常情況下，探放水孔每組1個(gè)孔。1#孔在工作面迎頭正中處，沿巷道掘進(jìn)方向，長(zhǎng)度60 m，仰角按煤層傾角，物探異常時(shí)，探放水孔每組3個(gè)孔。其中1#孔在工作面迎頭正中處，沿巷道掘進(jìn)方向，長(zhǎng)度60 m，仰角按煤層傾角；2#孔在1#孔右邊間距1 m，與1#孔夾角依次為15°，孔深60 m；3#孔以1#孔為軸，與2#孔對(duì)稱(chēng)分布。沿巷道掘進(jìn)方向，長(zhǎng)度60 m，仰角按煤層傾角，超前距必須保證30 m。

注意事項(xiàng)：開(kāi)孔至終孔孔徑為57 mm直至終孔，每個(gè)探放水鉆孔都必須按給定位置、方位，傾角施工，也可根據(jù)施工地點(diǎn)實(shí)際情況在前后0.3 m內(nèi)調(diào)整，但必須同時(shí)調(diào)整方位、傾角確保終孔位置不變。在鉆具接近終孔位置時(shí)，要密切注意孔內(nèi)返水量及鉆具的變化，發(fā)現(xiàn)異常，立即停鉆檢查，旋緊鉆桿向調(diào)度室匯報(bào)。

3.3 實(shí)踐效果

排水方法：采用37 kW潛水泵2臺(tái)，其他為小功率潛水泵。臨時(shí)水倉(cāng)設(shè)置在巷道地勢(shì)低的位置，規(guī)格為4 m×2 m×1.5 m。排水管路φ108 mm，長(zhǎng)度6 m/根，材質(zhì)為PE管，排水管路在每個(gè)臨時(shí)水倉(cāng)處要安設(shè)三通和逆止閥。

實(shí)踐效果：在C3-5#層8102工作面兩順槽掘進(jìn)期間，根據(jù)此探放水設(shè)計(jì)施工參數(shù)做了具體的施工，對(duì)老空區(qū)所存積水采用了探放水技術(shù)處理，及時(shí)解決了可能發(fā)生的水災(zāi)事故，確保了煤礦的人身安全與生產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

(1)進(jìn)行水患分析后，確定了可能導(dǎo)致水患的老空區(qū)積水及其含量，明確了進(jìn)行探放水的重要性。

(2)通過(guò)理論計(jì)算，得到了掘進(jìn)期間同層積水隔水煤柱厚度與上覆積水防隔水巖柱厚度、回采期間上覆積水防隔水巖柱厚度，根據(jù)其值進(jìn)一步確定了進(jìn)行探放水的必要性。

(3)提出了物探、化探、鉆探相結(jié)合的探放水水災(zāi)預(yù)治理方案，同時(shí)確定了相關(guān)的施工參數(shù)，在C3-5#層8102工作面進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用，及時(shí)解決了水災(zāi)隱患，確保了煤礦能夠安全生產(chǎn)。