工作面上覆采空區積水防治技術分析與應用

李文東

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦有限公司，山西 大同 037000）

采空區積水造成的水害事故具有時間短、水量大和破壞性強等特點，易產生人員傷亡事故，在水害事故中占較大比例。2000～2017年，我國共發生1 173 起煤礦水災事故，死亡4 760 人，水害事故嚴重威脅到了礦井的安全高效生產。為了保證采空區積水下工作面的安全回采，本文以馬脊梁煤礦為研究背景，對上覆采空區積水條件下的8105 工作面安全回采技術展開研究。

1 工程背景

1.1 工程地質條件

馬脊梁煤礦3#煤層8105 工作面北東、南東為盤區運輸巷、盤區輔助運輸巷、盤區回風巷，北西為實體煤，南西為8103 采空區。煤層厚度4.20～8.53 m，平均6.53 m，煤層頂底板巖性見圖1（a）。8105 工作面對應的上覆地表為溝谷相間的丘陵和臺地，有圈馬溝及支溝、長溝及支溝局部穿越該工作面，沖溝發育，除雨季外常年處于干枯無水狀態。

圖1 煤層頂底板巖性柱狀圖

8105 工作面3#煤層與上覆14-3#煤層采空區間距195.71～246.05 m，平均224.48 m，14-3#煤層頂底板巖性見圖1 （b）。8105 工作面巷道穿過8604 工作面采空區、8604 工作面實煤區、8606 工作面實煤區、8606-2 工作面采空區和8604 工作面采空區及實煤區。

1.2 工程問題

由于受采動影響地表產生裂縫，在雨季時降水沿地表裂縫下滲至8105 工作面上覆采空區，上覆采空區積水可能通過斷層裂縫和導水裂縫帶對8105 工作面的安全回采帶來威脅。

2 上覆采空區積水區下工作面安全評價

2.1 上覆煤層采空區積水區分析

對于上覆采空區積水分布情況采用瞬變電磁法［1］進行探測。瞬變電磁法是利用地面布置的發射線圈向發射回線（TX）通以脈沖，使產生一次磁場激勵起感應渦流；待斷電后產生二次磁場，通過鉆孔中的線圈探測（電磁感應）二次場含有的地質體地電信息；根據含水體和巖體電阻率的不同，對接收回線（RX）得到的地電信息進行提取，進一步確定積水區范圍，工作原理見圖2。

圖2 瞬變電磁法工作原理

考慮到該方法的局限性，將其與直流電測深法（主要依靠人工建立的穩定電流場）結合［2］。由于兩者原理基本相同，均利用電阻率差異，結合探測距離、探測方向、地層傾角等多種物探、地質因素進行分析，將兩者結果對比，準確估算8105 工作面上覆采空區積水的分布情況。

本次采用瞬變電磁與直流電測深相結合的方法，對馬脊梁煤礦8105 工作面上覆采空區積水進行物探探測，結果見圖3。

圖3 8105 工作面物探結果

由圖3 可知，8105 工作面上覆存在6 處異常區，分別位于盤區皮帶巷巷口往里0～123 m、0～243 m、503～717 m、602～918 m、1 607～1 902 m和1 745～2 456 m 的范圍內。估算的積水面積分別是19 900 m2、28 842 m2、13 477 m2、18 118 m2、19 432 m2和64 200 m2，估算的積水量分別是4 300 m3、8 652 m3、4 043 m3、5 435 m3、5 829 m3和13 900 m3。綜上所述，該工作面上覆采空區異常區的估算積水面積總計為163 969 m2，估算的積水量總計42 159 m3。

根據8105 工作面等高線實測圖和揭露的地質構造，結合坑透數據分析，2105 巷從盤區皮帶巷往里676 m 揭露落差1.8 m 的正斷層，分析工作面距盤區巷600～800 m 之間為本次探測區域物探Ⅰ號坑透異常區，可靠程度中等，分析異常區為斷層帶及多層夾矸引起的電磁波衰減。因此，應注意斷層是否含水或者含有瓦斯，回采工作前應特別注意水的排放與瓦斯的抽放。

2.2 導水通道分析

根據《煤礦防治水手冊》中的“兩帶”高度計算方法［3］，導水裂縫帶最大發育高度Hli可按式（1）計算。

式中：m為煤層開采高度，m。

將3#煤層厚度6.53 m 代入式（1），計算得導水裂縫發育高度最大為87.62 m。依照工程經驗，一般導水裂縫發育高度為采高的18～25 倍，現按最大倍數進行預計，開采3#煤層導水裂縫帶發育高度最大為163.25 m。無論通過經驗公式和工程類比，裂縫最大發育高度皆小于3#煤層與采空區的層間距（195.71～246.05 m），可以排除采動影響下采空區積水通過導水裂縫直接流入8105 工作面的可能性。

但在8105 回采巷道掘進中揭露3 條斷層，分別為2105 巷從盤區運輸巷軸向內676 m 和2 497.6 m處依次見H=1.80 m∠41°及H=0.60 m∠64°的正斷層。5105 巷從盤區運輸巷軸向內1 114 m見H=1.20 m∠40°的正斷層，該斷層斜穿工作面到2105 巷距盤區皮帶巷676 m 處穿出，落差為H=1.80 m∠41°的正斷層。無法排除8105 工作面上覆14-3#煤層采空區局部低洼處積水，在采動作用下通過斷層和構造裂隙通道，可能下泄至8105 工作面，造成水害事故。因此必須探明上覆采空區積水區分布范圍，并提出相應措施。

3 地面疏放水技術

為了避免上覆煤層采空區積水對8105 工作面安全回采的影響，應設計合理的防治水方案對水患威脅進行治理。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》［4］，8105 工作面上覆采空區積水的補給來源為地裂縫的降雨入滲，水源補給來源不穩定。

疏干排水是目前應用最廣泛的一種防治地下水危害的有效方法，主要分為地表疏干、地下疏干和聯合疏干。根據8105 工作面的實際采礦技術條件，可選擇從地表施工鉆孔至采空區積水區，用深井泵將地下水排出地表，以降低水位達到安全開采目的。采用地表疏干排出的地下水不易受污染，可直接用于工農業生產及生活用水，且容易控制地下水下降速度，在一定程度上可減輕因排水而引起的地面塌陷。為實現8105 工作面的安全回采，綜合考慮應選擇地面超前疏干（放）方法對其上覆采空區積水進行處理。

4 地面疏放水技術及效果

依照《煤礦防治水細則》、《煤礦安全規定》及同煤集團下發的《探放水設計標準》，探明8105 工作面上覆7#煤層、11#煤層、14-2#煤層和14-3#煤層異常區水文情況及氣體情況，并對采空區積水進行合理疏放，確保8105 工作面安全回采。

4.1 地面疏放水技術方案

探放水孔，共計10 個，從地面垂直打至14#煤層底板。若異常區無積水，則終止鉆進；若異常區存在積水，則鉆進至8105 工作面回采巷道內，并在底部孔口安裝閥門，控制采空區積水排放，直至放完為止。鉆孔參數見表1。

表1 地面探放水鉆孔坐標

鉆孔結構參數為開孔孔徑153 mm，終孔孔徑73 mm，其它詳細參數見圖4。

由圖4 可知，先打153 mm 的初孔，鋪設Φ146 mm 的無縫鋼管套管10 m；再用鉆頭直徑50 mm正常探水，待出水后用直徑73 mm 的鉆頭擴孔放水。水壓表安裝在止水套管外露部分，法蘭盤焊接于底部，鉆孔出水后通過控水閥門控制水量，通過水壓表觀測水壓數值。止水套管和孔壁之間用專用的濾水花管。通過套管兩側布置錨桿固定套管。固定好套管后，通過耐壓試驗（孔內注水試驗），檢驗30 min內注水后水壓表讀數是否能穩定達到采空區水壓的1.5 倍。若滿足，則符合要求；否則，仍需進一步注漿加固。

圖4 地面鉆孔結構

4.2 地面疏放水效果

8105 工作面上覆煤層采空區積水區疏放鉆孔涌水量隨時間的變化規律見圖5。

圖5 鉆孔出水量

由圖5 可知，6月份鉆孔出水量達到最大值137 m3/h，隨時間的變化，鉆孔出水量逐漸下降，歷時6 個半月，鉆孔出水量降至0 m3/h。10 個鉆孔中，除8#鉆孔無出水外，其余鉆孔出水量均在2 000 m3以上，6#鉆孔出水量最大，達到了8 325 m3，地面探放水鉆孔共計疏放采空區積水40 105 m3，達到積水區預計總量的95.12%，實現了8105 工作面的“疏水降壓”，滿足了工作面安全生產的需求。

5 結論

為了解決采空積水條件下工作面安全回采問題，以馬脊梁煤礦8105 工作面研究對象，采用現場探測、理論分析和理論計算等方法展開研究。結論如下：

1）雨季大氣降水沿采動裂縫的下滲，造成了8105 工作面上覆采空區積水；

2）斷層和構造裂隙是8105 工作面與上覆采空區產生水患的主要原因；

3）通過布置地面疏放降壓鉆孔，有效保證了8105 工作面的正常回采。