韓家洼煤業(yè)22301 綜放工作面水災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)用研究

吳彥偉

（山西焦煤山煤國際韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 概 況

山西焦煤山煤國際韓家洼煤礦22301 綜采工作面回風(fēng)順槽總長度為434.4 m、運輸順槽總長度為428.7 m，該礦22301 工作面長度為200 m，22301工作面保護留設(shè)的煤柱為30 m，工作面可采長度402 m。工作面可采儲量129.01 萬t，損失煤量19.31 萬t，回采煤量109.7 萬t。煤礦22301 工作面使用放頂煤開采技術(shù)?？紤]到放頂煤開采可能引發(fā)的水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害。本文結(jié)合22301 綜采工作面的實際情況，基于井田水文地質(zhì)條件和工作面充水條件，分析了該工作面水災(zāi)事故的原因，并給出了相應(yīng)的防治措施[1]。

2 井田與工作面水文地質(zhì)條件

2.1 井田水文地質(zhì)條件

井田為低山丘陵地貌，大部分為黃土覆蓋，黃土沖溝發(fā)育呈樹枝狀展布，地形總體呈東南高西北低的趨勢，最高點位于井田東南部，高程為1 565 m，最低點位于井田西北部溝谷，高程為1 470 m，最大相對高差95 m。一般地形標(biāo)高1 510—1 560 m。井田及周邊鄰區(qū)無地表水體，降水大部分都以地表徑流排出，一部分降水由垂直滲透松散地層，和側(cè)向補給煤系砂巖含水層。北泉溝在井田中部，溝長1 500 m，雨季聚集的水為礦井地下水的補給源。地表徑流為雨季的山洪爆發(fā)，時間短，排泄快，入滲量小，韓家洼煤礦井田屬于神頭泉域補給徑流區(qū)。本井田奧灰水位標(biāo)高為1 169.5 m，25 號煤層底板標(biāo)高1 225—1 320 m，煤層位于奧灰水位之上。含水層主要為奧陶系灰?guī)r含水層、太原組含水層、山西組砂巖含水層、下石盒子組砂巖含水層、風(fēng)化殼和第四系沖積層。

2.2 工作面水文條件

（1） 含水層。22 號煤層受采掘破壞影響的直接充水含水層大致為太原組砂巖裂隙含水層，間接充水含水層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水層和新生界松散巖類孔隙含水層，單位涌水量全部小于0.1 L/s·m，為弱富水含水層。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，受采掘活動破壞及影響的含水層和水體主要有基巖裂隙水，其補給條件差。奧陶系和寒武系石灰?guī)r位于地表320 m 以下，奧灰?guī)r溶水位低于25 號煤層底板，全井田全煤層不存在帶壓開采。

（2） 工作面周邊采空區(qū)及小窯積水。礦井現(xiàn)開采22 號煤層，22301 工作面井下位置位于西盤區(qū)西南部，北部為原韓家洼盤區(qū)回風(fēng)大巷；東部為2009 年10 月前（兼并重組前） 的西盤區(qū)保安煤柱；南部、西部為礦井邊界。依據(jù)韓家洼煤業(yè)的采掘工程平面圖，22301 工作面內(nèi)有采空巷道，目前未發(fā)現(xiàn)有積水積氣情況，建議隊組在生產(chǎn)中對該工作面內(nèi)部采空巷道積水、積氣量進行監(jiān)測，如有積水、積氣及時處理。

根據(jù)本礦提供的數(shù)據(jù)及采空區(qū)積水、積氣調(diào)查報告，本工作面周邊不存在小窯積水。

2.3 采空區(qū)積水分析

根據(jù)礦井水患補充調(diào)查報告，同時結(jié)合韓家洼煤業(yè)提供的采掘工程平面圖，兼并重組前井田內(nèi)僅對22 號煤層進行過開采，兼并重組后到目前為止只開采過22 號煤層，在采空區(qū)低洼處存在一定量的積水。

22 號煤層頂板偽頂為砂質(zhì)泥巖，直接頂為中砂巖，老頂為細砂巖，根據(jù)煤層的頂板巖性，屬半堅硬的巖石。采用式（1） 可以計算其導(dǎo)水裂隙帶高度[2]：

式中：M 為累計采厚，m。

經(jīng)計算，22301 工作面22 號煤層厚度10.5～12.2 m，導(dǎo)水裂隙帶高度74.8～79.9 m，22301 工作面22 號煤層與地面間距在260 m 左右，因此22號煤開采不會溝通地面。根據(jù)以上分析，判斷水文地質(zhì)條件為中等類型。

3 工作面水害防治

3.1 工作面排水

22301 工作面為北低南高，東西方向基本水平，工作面涌水不能通過水的自流排出，因此在運輸順槽和回風(fēng)順槽最低處各設(shè)1 個臨時水倉，配備小水泵，負責(zé)工作面開采前和初采時排水任務(wù)，在工作面回采時，隨工作面推進前移水泵，水泵接入順槽DN100 排水管路，順槽排水管路經(jīng)西盤區(qū)采區(qū)大巷排入中央水倉。

3.2 工作面防水害措施

（1） 進入本工作面人員必須提前學(xué)習(xí)并熟練掌握工作面水災(zāi)避災(zāi)路線。

（2） 礦上要定期對工作面上部附近地表進行觀測，特別是雨季前要及時封堵地表的導(dǎo)水裂隙，并及時把地面可能匯水的低洼處及時填平，地面修建必要的引水溝渠，把地面水引到對工作面無危害的匯水區(qū)域，并加強雨季地面降水的監(jiān)測工作，提高防范意識，及時制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案[3]。

（3） 對兩巷低洼處的積水要根據(jù)水量選擇，安設(shè)水泵進行排水，并準(zhǔn)備好備用水泵、水管，以保證積水能及時排除。

（4） 工作面生產(chǎn)過程中，若發(fā)現(xiàn)工作面有透水預(yù)兆時，必須立即停工撤人，并報礦調(diào)度中心[4]。

（5） 工作面推進過程中，若涌水增大應(yīng)立即撤人，并匯報礦調(diào)度室。

（6） 采掘期間，加強采空、古空區(qū)的水文地質(zhì)調(diào)查。對于可能對22301 工作面突水的上部及周邊采空區(qū)有掘必探，先探后掘。發(fā)現(xiàn)有出水預(yù)兆時，及時停止作業(yè)，并采取措施，探放采空區(qū)水體。探放后還要對探放后采空區(qū)進行定期監(jiān)測。

（7） 煤礦要結(jié)合安全和效益實際情況，核實保安煤柱的留設(shè)寬度，確保礦井安全生產(chǎn)。

4 工作面探放水措施

4.1 超前探水設(shè)施

根據(jù)《礦井通風(fēng)安全裝備標(biāo)準(zhǔn)》確定井下物探設(shè)備為YCS40 型瞬變電磁儀，探放水鉆機型號為ZLJ-400 型3 臺，單臺鉆機功率22 kW，探水距離200 m。采用超前探水，積水線、探水線、警戒線、鉆孔布置設(shè)計如下。

（1） 在煤層掘進過程中采用瞬變電磁法進行連續(xù)超前探測，用于查清迎頭本煤層及頂板方向與煤層成30°至底板15°夾角區(qū)域，在180°方位100 m 范圍內(nèi)的富水區(qū)分布情況，異常情況必須鉆探驗證，按照每掘進60～80 m 進行循環(huán)探測、驗證組織。

（2） 對采掘造成的老巷、硐室等積水區(qū)，其邊界準(zhǔn)確，當(dāng)水壓不超過1 MPa 時，探水線至積水區(qū)的最小距離，煤層中不得少于30 m，巖層中不得少于20 m。

（3） 在掘進巷道附近存在斷層或陷落柱時，探水線到最大擺動范圍預(yù)計煤柱線的最小距離不得小于60 m。

（4） 探水鉆孔通常采用75 mm 直徑孔?？讛?shù)一般不少于5 個?？壮噬刃尾贾茫浞较驊?yīng)在工作面前向的中心和上下左右方向。至少有一個中心孔。鉆孔布置方式如圖1 所示。

圖1 掘進巷道探水鉆孔布置Fig.1 Layout of water exploration drilling in excavating raodway

4.2 工作面放水設(shè)施

為滿足放水要求，防止孔口被水沖壞，設(shè)計與制定了如下方案，以確保放水安全進行。

（1） 孔口管設(shè)計與安裝（圖2）。①開孔孔徑應(yīng)當(dāng)大于孔口管直徑的1～2 級，鉆進到10.5 m時，銑孔后，下入φ108 mm 地下套管10 m，孔口管與孔壁間注漿；②掃孔后，進行孔口管的耐壓試驗。試驗壓力到預(yù)計水壓1.5 倍并穩(wěn)定維持30 min，孔口管不松動、周圍不漏水時為合格，否則重新再注漿固管打壓，做耐壓試驗直至合格；③在節(jié)理裂隙發(fā)育和巖石松軟破碎帶，并且無可選位置的，應(yīng)注漿加固后，再安設(shè)孔口管。

圖2 單孔設(shè)計示意Fig.2 Single-hole design

（2） 在孔口管安裝高壓閘閥后，方可繼續(xù)開鉆施工。

（3） 在需收集放水時的水量、水壓等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時，應(yīng)在孔口管上安裝水壓表、匯水管等。

（4） 對壓力高于1 MPa 且水量較大的積水或強含水層探放水作業(yè)時，孔口應(yīng)安設(shè)防噴逆止閥。

4.3 探放水安全措施設(shè)計

（1） 探水鉆孔應(yīng)成組，巷道前方水平內(nèi)呈扇形布置，終孔位置為平距3 m。終孔孔徑一般不大于75 mm。探放斷裂構(gòu)造和巖溶水時，鉆孔應(yīng)沿掘進方向的前方下方布置，底板方向的鉆孔布置數(shù)不得少于2 個[5]。

（2） 要加強探水時探水鉆孔附近的巷道支護工作，并在迎頭打好立柱和欄板，在打鉆地點或其附近安設(shè)專用電話。

（3） 在預(yù)計水壓大于0.1 MPa 的地點探水時，應(yīng)預(yù)先固結(jié)套管，套管口應(yīng)安裝閘閥，必須在探放水方案設(shè)計中明確套管深度。提前制定避災(zāi)路線等安全措施，班前會宣貫清楚。

（4） 打鉆過程中，如發(fā)現(xiàn)鉆孔流水水量超過正常打鉆供水量，必須立即停鉆（不得移動拔出鉆桿） 監(jiān)視水情，同時及時報告煤礦調(diào)度，如果情況緊急，受水威脅地點需立即撤人，并采取應(yīng)急措施。

（5） 探到水時，孔口需用套管進行加固，通過套管鉆進，并在套管上安裝水壓表及閥門，待水源有水流后，可利用套管放水。

（6） 鉆孔放水前，應(yīng)當(dāng)首先預(yù)估積水量，結(jié)合煤礦的排水設(shè)施及排水能力，及時控制好放水流量；放水時，應(yīng)當(dāng)安排專人監(jiān)測鉆孔出水情況，測定水量和水壓，做好記錄，如果水量突然變化，及時作出處理，并立即報告煤礦調(diào)度。

5 結(jié) 語

根據(jù)山煤韓家洼煤業(yè)22301 綜放工作面的地質(zhì)與水文條件，綜合工作面與奧陶系灰?guī)r含水層、太原組含水層、山西組砂巖含水層、下石盒子組砂巖含水層的特性，采用瞬變電磁探測方法進行超前探水，分析探測結(jié)果制定設(shè)計出防水安全技術(shù)措施，對于類似工作面防水工作有一定參考價值。