小煤柱沿空掘巷疏放采空水關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

李 忠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞安煤炭事業(yè)部，山西 長治 047500）

目前，小煤柱沿空掘巷已在多數(shù)煤礦應(yīng)用。然而，小煤柱沿空掘巷不可避免會受同層采空區(qū)積水影響。采空區(qū)突水具有時間短、水量大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，煤礦采空區(qū)積水疏放是礦井防治水的重要任務(wù)[1-2]。

1 工程概況

同發(fā)東周窯井田位于山西省左云縣，井田面積101.412 9 km2，礦井生產(chǎn)能力1000 萬t/a，礦井服務(wù)年限為65 a。可采煤層有山4、5、8-1、8-2 號，煤質(zhì)以長焰煤為主。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水文類型為中等。目前主要開采煤層為山4 號層、C5 號層。

以山4 號層5103 沿空掘巷為研究背景，巷道西側(cè)為山4 號層8102 工作面采空區(qū)，5103 巷和2102巷間隔6 m 保護(hù)煤柱。由于小煤柱沿空掘巷煤柱距離較近，存在采空區(qū)積水涌出威脅巷道安全的可能，因此防治水是巷道掘進(jìn)過程安全保障工作中一項(xiàng)極其重要的工作。

2 小煤柱沿空掘巷水患分析

礦井有3 層含水層，自上而下主要有：①第四系松散層含水層；②石炭-二疊系碎屑巖含水層；③寒武-奧陶系巖溶裂隙含水層。較穩(wěn)定的隔水層有石炭系本溪組鐵鋁質(zhì)泥巖隔水層以及第三系黏土隔水層。

5103 小煤柱掘進(jìn)巷道主要水患威脅為相鄰采空區(qū)積水及頂板砂巖弱含水層淋水。

1）頂板弱含水層。山4 號煤層距頂板K8 砂巖含水層21.60～36.01 m，平均28.81 m，K8 砂巖以中粗砂巖及含礫砂巖為主，屬弱含水層。

2）同層采空區(qū)積水。相鄰工作面回采后頂板垮落，頂板含水層水長時間涌出會造成采空區(qū)低洼處大量積水，且采區(qū)無泄水巷，工作面回采后會形成大量積水而無法疏放，對沿空掘巷構(gòu)成水害威脅。

3） 工作面山4 號煤層距上覆侏羅系層間距280～300 m，正常情況下導(dǎo)水裂隙帶波及不到上侏羅系采空區(qū)，因此上覆小窯積水對工作面采掘無影響。

綜上所述，相鄰采空區(qū)積水為影響沿空掘巷防治水安全的主要因素。掘進(jìn)過程中需“逐步解壓、循環(huán)放水”，超前疏放同層積水，同時配備完善的排水系統(tǒng)，確保巷道安全掘進(jìn)。

3 采空區(qū)積水參數(shù)的確定

3.1 采空區(qū)積水分析

由于煤層傾角、斷層、褶皺等因素，造成工作面兩巷掘進(jìn)存在坡度起伏變化，工作面回采后涌水積于低洼區(qū)域，形成大面積采空區(qū)積水。

5103 巷掘進(jìn)里程600～1200 m 整體呈背斜趨勢，局部伴生寬緩的波狀起伏及斷層，造成相鄰8102 工作面采空區(qū)低洼地段匯集積水。通過工作面標(biāo)高及已施工探孔情況，分析積水標(biāo)高從而確定積水范圍及積水形態(tài)。工作面布置圖及采空區(qū)積水圖如圖1 所示。

圖1 山4 號層5103 巷布置圖及相鄰采空區(qū)積水形態(tài)圖

3.2 工作面采空區(qū)積水量確定

對礦井及周邊礦井采空區(qū)積水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析總結(jié)采空區(qū)充水系數(shù)，見表1。

表1 同發(fā)東周窯礦采空區(qū)充水系數(shù)表

利用梯形法計(jì)算采空區(qū)積水量[3-4]，公式如下：

式中：W為采空區(qū)積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)；M為工作面采高，m；S為采空區(qū)積水面積，m2；α為煤層傾角。

5103 巷為例，K取0.3；相鄰8102 采空區(qū)積水面積S取125 529 m2，采高M(jìn)取5.0 m；煤層傾角α取2°，利用公式計(jì)算采空區(qū)積水量為226 262 m3。

4 小煤柱沿空掘巷防治水技術(shù)

4.1 采空區(qū)積水“安全高度”

巷道進(jìn)行疏放水工作時，首先需確定積水安全高度。根據(jù)水平壓力防水煤柱留設(shè)公式[5]，得出采空區(qū)積水“安全高度”計(jì)算公式。

式中：H為小煤柱沿空掘巷采空水安全高度；a為防水煤柱寬度；Kp為煤層抗拉強(qiáng)度。K為安全系數(shù)(一般取2～5)；L為巷道寬度；n為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水柱高度系數(shù)，103.36 m/MPa；a為煤柱寬度6 m；K取安全系數(shù)5；L為巷道寬度5 m；Kp為煤層抗拉強(qiáng)度1.0 MPa。代入公式計(jì)算H為0.794 m，即相鄰采空區(qū)積水安全高度為5103 巷底板上0.794 m。

針對采空區(qū)積水“安全高度”，分析如下：

1）當(dāng)采空區(qū)積水水位高度小于0.794 m 時，巷道正常掘進(jìn)。

2）當(dāng)采空區(qū)積水水位高度大于0.794 m 時，巷道存在水害危險，必須停止掘進(jìn)，采取疏水措施，待排水后水位下降到安全高度巷道方可掘進(jìn)。

4.2 小煤柱沿空掘巷疏水技術(shù)

巷道施工時嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探、先探后掘”制度，掘進(jìn)時向采空區(qū)施工探孔，利用水位計(jì)實(shí)測采空區(qū)水位高度，結(jié)合掘進(jìn)巷道標(biāo)高計(jì)算采空區(qū)側(cè)相對水位高度。當(dāng)采空區(qū)積水高于掘進(jìn)巷道水位安全高度，必須停掘放水；待采空區(qū)積水低于安全高度時，方可恢復(fù)掘進(jìn)。

在巷道幫部直接探放水不僅不安全，而且影響正常掘進(jìn)施工，為此，確定采用“水倉疏放為主、迎頭短探為輔”的方式進(jìn)行探放水。

4.2.1 疏放采空區(qū)積水

巷道掘進(jìn)至臨近采空區(qū)積水區(qū)時，在巷道非小煤柱側(cè)開設(shè)水倉，一般規(guī)格為長4 m×寬4 m×深3m，采用專用探放水鉆機(jī)打孔疏放采空區(qū)積水，布置6～8 個鉆孔，鉆孔布置在水倉內(nèi)部，方位角為垂直煤柱，鉆孔傾角、長度依據(jù)實(shí)際情況“一孔一策”。

以5103 巷700 m 水倉處探測方案為例，設(shè)計(jì)6個疏水鉆孔，開孔位置均位于水倉底板上0.5 m。為保證水倉完整、防止探孔塌孔，探孔間距為0.5 m。為施工便捷，鉆機(jī)選用ZLJ-700 型鉆機(jī)，鉆桿直徑42 mm，鉆頭直徑94 mm。預(yù)計(jì)單孔放水量大于10 m3/h的探孔必須安裝止水套管（長度大于2 m）。鉆孔施工時在孔口安裝三通，一端連接排水管路，在管路上安裝雙閥門，有效控制放水量，另一端為鉆機(jī)施工鉆孔，在孔口安裝防水檔板，防止水壓大傷人，并減少水量泄露淹沒施工鉆機(jī)。

施工剖面示意圖如圖2 所示，具體參數(shù)見表2。

圖2 山4 號層5103 巷水倉鉆孔放水剖面示意圖

表2 疏水鉆孔施工參數(shù)

4.2.2 掘進(jìn)過程探測保障措施

在正常的探放水循環(huán)下補(bǔ)充短探措施，每掘進(jìn)5 m 布置1 個鉆孔對相鄰采空區(qū)積水進(jìn)行探測，鉆孔布置在工作面迎頭右?guī)途嚯x巷道底板0.5 m 處，垂直煤柱施工探水孔，探孔必須穿透隔離煤柱進(jìn)入采空區(qū)，如圖3 所示，具體參數(shù)見表3。

圖3 掘進(jìn)迎頭探測鉆孔示意圖

表3 掘進(jìn)迎頭探測鉆孔參數(shù)表

鉆孔見空無出水時，立即用樹脂藥卷加水泥對鉆孔進(jìn)行封堵；鉆孔出水時，確認(rèn)水位標(biāo)高并在相同位置距離巷道底板0.8 m（安全高度）處補(bǔ)充施工1 號補(bǔ)探孔，鉆孔孔深、方位角、傾角同1 號鉆孔，若鉆孔不出水立即對鉆孔進(jìn)行封堵；若1 號補(bǔ)探孔出水則巷道停止掘進(jìn)，對采空區(qū)積水繼續(xù)進(jìn)行疏放，確保相鄰采空區(qū)積水高度小于積水安全高度。

4.2.3 完善排水系統(tǒng)

計(jì)算單孔出水最大流量，確定每循環(huán)施工疏放水孔數(shù)，根據(jù)疏放水量及高差進(jìn)行排水設(shè)備、設(shè)施選型。

基于伯努利方程修正的單孔出水最大流量計(jì)算公式：

式中：q為單孔出水量，m3/h；ω為鉆孔斷面積，m2。D為鉆孔直徑，m。g為重力加速度，9.81 m/s2。H為鉆孔出口處水頭高度，m。L為探放水鉆孔孔深，m。λ為水頭沿程阻力系數(shù)，0.02。

計(jì)算5103 疏放水孔，H依據(jù)實(shí)測取4 m，L為孔深11.2 m，帶入計(jì)算單孔最大涌水量為29.7 m3/h。

巷道依據(jù)單孔最大涌水量提前完善排水系統(tǒng)。在原有6 寸排水管路基礎(chǔ)上，增設(shè)3 趟6 寸排水管路，配備5 臺流量不低于80 m3/h 的大功率水泵，設(shè)置水泵備用開關(guān)及電路，確保排水系統(tǒng)能力足、穩(wěn)定性高。

水倉最大排水能力達(dá)400 m3/h，遠(yuǎn)大于鉆孔最大排水量29.7×6=178.2 m3/h，排水能力滿足要求。

4.3 小煤柱沿空掘巷防治水實(shí)施效果

按照上述開挖水倉，在水倉內(nèi)施工放水孔的方式，對5103 巷疏放相鄰采空區(qū)積水。在施工鉆孔及放水過程中重點(diǎn)檢查探孔施工質(zhì)量、排水系統(tǒng)的完好性及排水能力、放水效果和實(shí)測放水量等情況，確保現(xiàn)場科學(xué)有效施工。水倉疏放水現(xiàn)場如圖4 所示。

圖4 水倉疏放水現(xiàn)場圖

山4 號層5103 巷具體疏放效果如下：

1）巷道里程740 m 水倉，內(nèi)部共施工8 個放水鉆孔，已不出水，累計(jì)放水量15 684 m3。

2）巷道里程760 m 水倉，內(nèi)部共施工8 個放水孔，已無水，累計(jì)放水706 h，共計(jì)放水量5 186 m3。

3）里程780 m 水倉，內(nèi)部共施工6 個放水鉆孔，已不出水，累計(jì)放水672 h，共計(jì)放水量11 385 m3。

4）里程811 m 水倉，內(nèi)部共施工9 個放水鉆孔，已不出水，累計(jì)放水1 022 h，共計(jì)放水量47 702 m3。

5）里程840 m 水倉，內(nèi)部共施工10 個放水孔，已不出水，累計(jì)放水962 h，共計(jì)放水量63 177 m3。水倉配備1 臺37 kW，1 臺45 kW 水泵，共有2 趟排水管路。

6）里程874 m 水倉，內(nèi)部共施工6 個放水鉆孔，實(shí)測出水量合計(jì)18 m3/h，累計(jì)放水535 h，共計(jì)放水量34 962 m3。水倉配備2 臺37 kW 水泵、3 臺45 kW水泵，共設(shè)置3 趟排水管路。

5103 巷累計(jì)放水量202 779 m3，疏降水位18 m，每循環(huán)均將采空區(qū)積水疏放到“安全高度”下。5103 小煤柱沿空掘巷經(jīng)過科學(xué)疏放采空水，有效解除水患，為巷道掘進(jìn)及回采提供有效安全保障。

5 結(jié) 語

1）通過工作面實(shí)測標(biāo)高及已施工探孔數(shù)據(jù)，分析積水標(biāo)高，從而確定積水范圍及積水形態(tài)，應(yīng)用梯形法采空區(qū)積水量公式計(jì)算采空區(qū)積水量，其預(yù)計(jì)的采空區(qū)水量與實(shí)際疏放水量基本一致。

2）提出采空區(qū)積水“安全高度”理論，即高于“安全高度”時，巷道立即停止掘進(jìn)，采取水倉施工鉆孔放水法，探放采空積水。

3）水倉施工鉆孔放水法可最大程度排水、最短時間降低水位。此外，在水位下降到安全高度后巷道迎頭可正常掘進(jìn)，放水鉆孔止水套管及閥門、排水管路等不影響掘進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行。與巷道幫部放水法相比，具有疏水時間短、疏放效果好、影響時間短、排水系統(tǒng)可靠等優(yōu)點(diǎn)，有效排解水患，為采掘接替和礦井安全、高效建設(shè)提供了治理經(jīng)驗(yàn)。