蒙陜礦區大儲量采空區水害綜合防治技術創新與實踐

王小勇

(烏審旗蒙大礦業有限責任公司,內蒙古自治區鄂爾多斯市，017307)

納林河二號礦井31120工作面回風巷是該礦第1個留小煤柱沿空掘進的工作面，鑒于該礦水文地質條件復雜、31121工作面回采結束后采空區內形成大小不一的積水區和31120工作面回風巷留小煤柱沿31121采空掘進的實際情況，導致31121采空區積水威脅到了31120工作面回風巷的掘進安全。采空區突水具有時間短、水量大、破壞性強等特點[1]，因此，有效進行采空區水害防治將為礦井的采掘安全提供重要技術支撐。為更科學地防治采空區積水水害，國內外專家進行了大量的研究工作，孫宗東、楊朝維、田坤等人[1-20]提出通過施工鉆孔(短距離鉆孔、長距離鉆孔、定向鉆孔、泄水巷鉆孔)進行限壓循環放水技術來保障掘進安全。目前，針對納林河二號礦井的留小煤柱沿空掘進采空區水害有效防治技術還未形成，因此，本次實踐研究針對納林河二號礦井留小煤柱沿空掘進存在的采空區水害問題，利用泄水巷布置鉆孔、輔回撤通道密閉墻導水管、工作面回風巷硐室密閉墻導水管、回風巷布置鉆孔等方法，探索出一套新的采空區水害綜合防治技術，對于預防本礦井及其相似礦井水害事故和保障安全生產有重要意義。

1 工作面及采空區概況

1.1 工作面概況

納林河二號礦井31121工作面位于首采區北翼西部邊界附近，南臨中央二號輔助運輸大巷，北臨納林河保護煤柱，西臨G7-8天然氣保護煤柱。工作面長2 628 m，寬300 m，面積788 400 m2。工作面內存在寬泛的褶曲和落差0.3～2.0 m的正斷層，所回采的3-1號煤層傾角0°～3°，煤厚6.4 m。31121回風巷及運輸巷均沿3-1號煤層底板掘進，31121工作面沿3-1號煤層底板回采，回采方位191°，已回采完畢。

1.2 采空區起伏情況

根據31121工作面兩巷道實測剖面可知：31121工作面采空區底板整體由開切眼向回撤通道逐漸降低，運輸巷底板標高整體高于回風巷，運輸巷底板標高大約543～549 m；回風巷底板標高大約541～549 m；運輸巷底板最低點為543 m，最低點距離主回撤通道1 270 m；回風巷底板最低點541 m，最低點距離主回撤通道930 m，31121采空區對比示意如圖1所示。

圖1 31121采空區對比示意圖

2 31121工作面水文地質條件

2.1 導水通道、充水水源及強度

導水裂縫帶(預測高度為3-1號煤層頂板以上120 m)、地層孔隙和裂隙、構造斷裂、封閉不良鉆孔等為31121采空區的主要充水通道。位于導水裂縫帶發育范圍以外的安定組、白堊系和第四系含水層是31121采空區的間接充水含水層。位于導水裂縫帶發育范圍以內的延安組和直羅組含水層是31121采空區的直接充水含水層。延安組含水層具體為延安組3-1號煤層頂板砂巖含水層，厚度0～25.8 m，位于3-1號煤層頂板以上1.31～21.08 m，巖性以灰色、灰白色細砂巖為主。延安組2-1號煤層頂板砂巖含水層，厚度0～53.49 m，位于3-1號煤層頂板以上21.08～72.74 m，巖性深灰色、灰色細砂巖為主。直羅組含水層具體為直羅組底部砂巖含水層，厚度10.68～17.10 m，位于3-1號煤層頂板以上81.98～120.87 m，巖性以灰色、淺灰綠色細砂巖為主。直羅組含水層富水性遠遠高于延安組含水層。

2.2 采取的主要防治水措施

采取的主要措施有地質及水文地質綜合補充勘探、預計和實測3-1號煤層頂板導水裂縫帶發育高度、探測和疏放采掘工作面3-1號煤層頂板孔隙裂隙含水層水、探查采掘工作面內構造斷裂發育情況、對地面封閉不良鉆孔進行了全孔啟封注漿，在井上下建立洛河組、直羅組及延安組地下水位監測系統，建立滿足礦井需要的主要、輔助及應急排水系統等。

2.3 補給、徑流及排泄

31121采空區主要受直接充水含水層的直接補給，受間接含水層的越流補給，但越流補給量有限。直接充水含水層天然徑流方向主要由北向南。在31121工作面附近主要從周圍向采空區徑流。排泄方式主要通過回采后形成的導水裂隙向采空區進行自然排泄，由采空區經礦井排水系統排泄至地面。

2.4 “三線”確定

積水線主要位于31121運輸巷6號和14號調車硐室處、31121回風巷等。根據《煤礦防治水細則》及礦井實際情況探水線由積水線平行外推30 m，警戒線由探水線平行外推30 m。嚴格控制“三線”位置，合理布置放水鉆孔[4]。

3 31121采空區水害綜合防治技術

3.1 分區管理、預測預報

根據31121回風巷及運輸巷實測剖面按整體疏放與局部疏放對影響31120工作面回風巷掘進的31121采空區積水進行分區管理。其中整體疏放積水區主要分布在31121回風巷三角區，劃分為一、二號整體疏放積水區。局部疏放積水區主要分布在31121運輸巷采空三角區，劃分為1、2、3號局部疏放積水區(見圖1)，分區管理達到了分級防治的目的。

31121采空區存有一定量積水，且具有動態補給的特點[2]。基于采空區積水分區，對各積水區水量分別進行計算。計算采用式(1)進行計算，由于實際積水空間形態與公式假設形態存在一定差別，應根據積水區底板起伏對計算積水量進行修正，根據經驗，底板起伏較大的積水區計算積水量與實際積水量差別大，一般取修正系數0.5，底板起伏較小的積水區計算積水量與實際積水量差別較小，一般取修正系數0.8。因煤層角度0°～3°，所以本次計算忽略煤層角度影響。

Q=FMK

(1)

式中：Q——采空區積水量，m3；

K——采空區充水系數，一般取0.25～0.50，本文取0.30；

M——積水高度，31121工作面積水高度取5 m；

F——積水區水平投影面積，m2。

把相關參數代入式(1)，根據實際情況取0.5的修正系數，修正之后積水量總計47.89萬m3，31121采空區積水儲量較大,積水量計算見表1。

3.2 多點疏放、低位布孔、持續暢通

由于31121采空區底板整體西南低、東北高，所以整體疏放點位于31121回風巷中部一號整體疏放積水區和31121輔回撤通道西部二號整體疏放積水區。由于31120回風巷沿31121采空區掘進，其間留設了6 m的小煤柱，所以局部疏放點位于31120回風巷中部低洼點，即6號至14號調車硐室范圍的1、2、3號局部疏放積水區，見圖1。通過多點、低位和持續疏放保證了疏放效果。

表1 31121采空區積水量計算

3.2.1 施工泄水巷并布置鉆孔疏放

31121回風巷中部一號整體疏放積水區，根據剖面可知該區底板標高最低541 m，該區施工了泄水巷，泄水巷掘進工作面底板低于31121采空區底板1 m，泄水巷掘進工作面距離31121采空區25 m，在泄水巷設置了最大能力為900 m3/h的排水系統。在泄水巷掘進工作面施工了8個放水鉆孔，開孔與31121采空區底板平行，終孔高于31121采空區底板0.5 m，鉆孔呈扇形布置，終孔孔徑110 mm，護壁管直徑89 mm，終孔進入采空區3 m，總工程量263 m，終孔總水量610.6 m3/h，終孔水壓0.06 MPa，初始水位標高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩定，穩定水量170 m3/h，穩定水壓0.03 MPa，穩定水位標高543 m。泄水巷掘進工作面放水鉆孔參數見表2，31121采空區積水放水參數見表3，泄水巷掘進工作面放水鉆孔結構如圖2所示。

表2 泄水巷掘進工作面放水鉆孔參數

表3 31121采空區積水放水參數

圖2 泄水巷掘進工作面放水鉆孔結構

3.2.2 利用31121輔回撤通道密閉墻導水管疏放

31121輔回撤通道西部二號整體疏放積水區，根據剖面可知該區底板標高最低543 m，該區密閉墻預留了3個直徑273 mm的導水管，導水管高于31121采空區底板0.2 m。初始水量203.6 m3/h，初始水壓0.028 MPa，初始水位標高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩定，穩定水量60 m3/h，穩定水壓0.001 MPa，穩定水位標高543.3 m，見表3。

3.2.3 利用31121回風巷硐室密閉墻導水管疏放

31121回風巷6號至14號調車硐室范圍1、2、3局部疏放積水區，根據剖面可知底板標高最低543 m，6號至14號調車硐室密閉墻均預留了2個直徑為159 mm的導水管，導水管高于31120采空區底板0.2 m，初始總水量270 m3/h，初始水壓0.018 MPa，初始水位標高為545 m。2020年5月10日開始疏放，6月5日趨于穩定，穩定總水量36 m3/h，穩定水壓0.001 MPa，穩定水位標高543.3 m，見表3。

3.2.4 利用31120回風巷布置鉆孔疏放

通過現場跟班指導[5]，在31120回風巷6號至14號調車硐室范圍內1、2、3局部疏放積水區，在煤機后煤柱內循環施工了7個放水鉆孔，鉆孔高于31121采空區底板0.5 m，終孔孔徑89 mm，護壁管直徑74 mm，終孔進入采空區1 m。總工程量49 m，終孔總水量500 m3/h，終孔水壓0.015 MPa，初始水位標高為545 m。2020年5月14日開始疏放，6月5日趨于穩定，穩定水量0 m3/h，穩定水壓0 MPa，穩定水位標高543.5 m。31120回風巷放水鉆孔參數見表4，31120回風巷放水鉆孔結構如圖3所示。

3.3 先整體后局部

整體疏放即對采空區整體積水進行疏放以便使局部積水能盡快疏放，整體疏放于2020年4月26日通過31121輔回撤通道密閉墻預留的3個直徑為273 mm的導水管和泄水巷施工的8個終孔直徑110 mm的疏放水鉆孔開始疏放，5月22日趨于穩定并達到疏放標準。局部疏放是整體疏放后對采空區局部低洼處的積水進行疏放，局部疏放于2020年5月10日通過31121回風巷9個調車硐室密閉墻預留的18個直徑159 mm的導水管和在31120回風巷6 m小煤柱上循環施工的7個終孔直徑89 mm的疏放水鉆孔開始疏放，6月5日趨于穩定并達到疏放標準，共疏放31121采空區積水32.3萬m3。

表4 31120回風巷放水鉆孔參數

圖3 31120回風巷放水鉆孔結構

3.4 先觀測后分析

根據實際情況選用量程合適的壓力表、管道流量計、計量桶、透明導水管等，定期觀測水量和水位高度，分析動態補給量與疏放量的關系，利用疏放點的底板標高和水位高度推算水位標高，分析整體疏放積水區和局部疏放積水區之間的聯系，判斷整體疏放積水區和局部疏放積水區疏放是否達到標準，判斷是否需增加疏放點及疏放水鉆孔。

一、二號整體疏放積水區均于2020年5月22日趨于穩定并達標，水位由546 m疏放至543 m。1、2、3號局部疏放積水區均于2020年6月5日趨于穩定，水位由545.0 m降至543.5 m(見表3)。說明一、二號整體疏放積水區之間有一定聯系，1、2、3號局部疏放積水區之間有一定聯系，整體積水疏放后局部疏放積水區與整體疏放積水區之間聯系較小，各積水區補給量與排泄量達到平衡。31121采空區靜儲量已疏放徹底，放水量全部變為動態補給量。說明整體水位已降至局部水位以下，局部水位已降至1 m以下，達到疏放標準，不需再增加放水點及放水鉆孔。

3.5 先疏放后掘進

整體積水疏放目標為整體水位546 m降至局部水位545 m以下。局部積水疏放目標為局部水位545 m降至544 m以下。整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下后31120回風巷方可進行掘進。由于31120回風巷沿3-1號煤層底板掘進，3-1號煤層以寬泛的褶皺分布，所以根據31121回風巷實測剖面當31120回風巷掘進至一定距離后掘進工作面局部水位達到1 m以上時停止掘進，在31120回風巷煤機后煤柱內施工放水孔放水，同時觀測水量水位，水位再降至1 m以下后31120回風巷再開始進行掘進，這樣限壓(水壓小于0.01 MPa)循環放水循環掘進，確保31120回風巷掘進不受水害威脅。目前，31120回風巷已安全順利貫通。

4 結語

31121采空區積水具有靜態儲量大、動態補給量大、底板整體平緩局部起伏較大的特點。整體積水疏放后局部循環放水時間大幅縮短，局部循環放水雖然對31120回風巷掘進進度有一定影響，但在保證安全的情況下必不可少，局部循環放水可以驗證[3]整體放水效果，但需要巷道剖面及巷道內硐室位置的精準實測。總之本次疏放水達到了整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下的疏放標準，31121采空區靜儲量水已疏放徹底，放水量全部變為動態補給量，目前31120回風巷已安全順利貫通。

本次研究實踐的成功在于充分利用了輔回撤通道密閉墻導水管、工作面回風巷硐室密閉墻導水管，并總結出了分區管理、預測預報、多點疏放、低位布孔、持續暢通、先整體后局部、先觀測后分析、先疏放后掘進的采空區水害綜合防治技術。