經坊煤業采空區高水頭積水分段疏放技術應用研究

侯麗兵

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

0 引言

山西省長治經坊煤業有限公司始建于1980年，設計生產能力30萬t/a，1988年12月投產，經多次改擴建后生產能力提升至300萬t/a，現隸屬于山西煤炭進出口集團公司控股管理，批準開采3-15號煤層，井田面積30.722 9 km2，生產規模300萬t/a，開采標高840～390 m。現階段開采3號煤層，水文地質類型為中等。3號煤層頂板充水水源主要是煤層頂板及圍巖山西組和下石盒子組砂巖裂隙水，該含水層富水性弱，對3號煤層開采影響較小。隨著開采水平的不斷延伸和開采深度的不斷加大，采空區面積隨著增大，礦井受水害威脅也越來越大。目前，采空區積水是威脅礦井安全生產的主要因素。

1 工作面采空區積水現狀

3-807工作面按設計要求運輸、回風順槽沿煤層底板掘進，且工作面內斷層比較多，兩順槽共揭露斷層12條，其中大于5 m的斷層2條；揭露1條向斜構造，編號為S2，該向斜正好位于3-807工作面第二切眼處，且該切眼為3號煤層最低點，在工作面回采完畢后，容易形成積水。3-8061順槽位于經坊煤礦八采區，與3-807工作面相鄰，為保證礦井的采掘銜接及3-8061順槽安全掘進，經研究決定，開展高水頭分段疏放技術研究，確保該順槽能夠順利掘進。

3-8061順槽北側為3-807工作面，該面回采時間為2017年8月-2019年4月，根據3-807順槽密閉泄水孔出水情況，工作面積水標高為+462-+544 m，積水面積218 165 m2、積水量685 038 m3。根據3-8072順槽導線控制點高程及底板等高線情況，實測采空區積水標高為+554.3 m，3-8061順槽承受水壓為0～0.845 MPa。經水質化驗分析，3-807工作面采空區積水水源為上覆頂板砂巖裂隙水。根據積水抽排、水位變化情況，補給量約37 m3/h。

1.1 積水量

積水量采用采空區估算公式：

式中：K為采空區充水系數（介于0.3～0.50之間），取0.5；M為煤層采高（采用3-807工作面煤層平均厚度，m）取6.28；F為采空區面積，m2，取218 165 m2；α為煤層傾角（采用平均值），取3°。

將上述參數代入公式得：685 038 m3。

1.2 3-8061順槽布置、施工次序、規格和支護形式

3-8061順槽的掘進方位為268°12′53″，與3-807工作面采空區平行布置，順槽斷面呈矩形，掘進寬5.2 m，掘進高3.1 m，掘進斷面積16.12 m。支護形式：采用錨網支護方式，頂板采用鋼帶+錨桿+錨索+金屬網，兩幫采用錨桿+鋼帶+金屬網。

2 必要性數據分析

2.1 采掘工程引起的圍巖移動變形破壞規律、采空區積水量計算

以經坊礦3-8061工作面為工程背景。對3-807工作面（已回采）引起的圍巖移動變形破壞規律進行分析，建立采空區導水裂隙帶最大高度的計算模型，然后得出3-807工作面主要充水含水層。通過運用地下水運動數學模型及采空區積水量計算方法，對主要充水含水層的涌水量和采空區積水量進行預測。

2.2 防隔水煤柱受力特征及破壞機理、防隔水煤柱抗拉強度測定

根據3-807工作面回采后地質情況，根據防隔水煤柱受力特點，分析防隔水煤柱的破壞機理，并在疏放水設計中提出應對措施。

2.3 工業性試驗

根據研究結果，確定最優的沿空掘進下山巷道方案。對疏放水效果及煤柱穩定性進行分析，保障3-8061工作面安全掘進。

3 采空區積水分段疏放技術路線

技術路線主要包括理論分析、數值模擬以及工程應用三大部分。技術路線示意圖如圖1所示：

圖1 技術路線圖

4 積水疏放實施方案

4.1 各階段鉆場及鉆孔設計

第一疏放鉆場在3-8061順槽掘進至932 m處施工，在鉆場內施工4個疏放鉆孔。第一鉆場鉆孔布置圖如圖2所示：

圖2 第一鉆場鉆孔布置圖

第二疏放鉆場在3-8061順槽掘第二階段掘進至Y2號測點向里80.8 m處施工，在鉆場內施工4個疏放鉆孔。第二鉆場鉆孔布置圖如圖3所示：

圖3 第二鉆場鉆孔布置圖

第三疏放鉆場在3-8061順槽第二階段掘進至245 m處施工，在鉆場內施工5個疏放鉆孔。鉆場鉆孔布置如圖4所示：

圖4 鉆孔布置斷面圖

第四疏放鉆場在3-8061順槽第二階段掘進至371 m處施工，在鉆場內施工5個疏放鉆孔。考慮到3-8063的掘進施工，設計角度、方位必須進行優化，第三巷道位于3-8061順槽與3-8072順槽中間，順槽掘進方位與3-8061順槽平行。

4.2 疏放鉆孔套管施工工藝

3-8061順槽放水孔施工使用ZDY2300LS煤礦用全液壓坑道鉆機，鉆機最大鉆孔深度可達200 m，鉆桿φ73 mm，鉆桿每節長度1.5 m，自開孔向里10.5 m段采用133 mm鉆頭鉆進，固接套管，套管口安裝閘閥，φ65 mm鉆頭用于打透放水孔，φ133 mm鉆頭用于擴套管孔段。

套管孔徑為φ75 mm，無縫鋼管，每節套管長度1 m，共固結10根套管，每2節套管通過內絲連接。

首先用φ65 mm的鉆頭鉆進10.5 m，然后用φ133 mm的鉆頭擴孔，接著用水沖洗孔內的煤巖粉，放進套管，其中第10節套管焊接法蘭盤，孔口管外漏0.3 m，在其上焊接水壓表，用注漿泵注漿固結套管封孔注漿，待水泥漿凝固后，在外接φ75 mm閘閥換用φ65 mm的鉆頭鉆至孔口底，向孔內壓水，進行耐壓試驗，試驗壓力不小于0.4 MPa，穩壓時間不少于30 min，孔口管牢固不動，周圍沒有滲漏水現象，說明合乎要求，否則重新注漿加固。然后用φ65 mm的鉆頭鉆至老空區，拔出鉆桿，關閉閘閥，測水壓值，接通排水管路，打開閘閥放水。

將孔口套管插入孔內后，在孔口用水玻璃和水泥將孔口套管固定并封死，在管道上方另留一個小管，而后從孔口管內向四周壓入水泥漿，開始從小管跑出空氣和水，待跑出濃水泥漿時，將小管封死，繼續向孔口管內壓入水泥漿，至一定壓力后停止注漿，關閉孔口管閘閥，待水泥漿凝固，如圖5所示：

圖5 套管注漿簡圖

在鉆孔兩側不少于0.2 m的位置，沿鉆孔軸線方向，施工一組2個外八字錨桿，與鉆孔軸線夾角不小于10°，安裝好錨桿后與孔口管外端用鋼絲繩固定連接牢固。鉆孔放水結束后，對鉆孔進行注漿封孔。放水孔孔口管安全裝置如圖6所示：

圖6 孔口管安全裝置圖

5 排水設施

前期排水系統：在3-8062順槽1 062 m處臨時水倉安設2臺MD85-45×6型離心泵，敷設2趟4寸排水管路，鉆孔與臨時水倉之間通過軟管、4寸排水管路連接。后期排水系統：在3-8061順槽反掘工作面35 m處臨時水倉安設2臺MD155-30×5型離心泵，敷設2趟6寸排水管路，鉆孔與臨時水倉之間通過軟管連接。

第二、三、四鉆場施工前，在3-8061順槽最低點施工一處水倉，待第一鉆場疏放完畢后，將原水倉2臺水泵MD155-30×5型離心泵安裝至新施工的水倉中，并接通2趟6寸排水管路。二、三、四鉆場疏放的積水通過水溝流入最低點的水倉。放水期間每班安排專人對水泵、管路進行維護，淤泥進行清挖，排水路線：臨時水倉→八采區水倉→進風立井中央水倉→地面污水處理廠

6 注意事項

6.1 鉆機運輸注意事項

鉆機采用平板車進行運輸，裝車后鉆機及動力設備等都必須安裝平穩、牢固，鉆機立柱有防倒裝置，防止立柱在鉆進過程中倒柱傷人或砸壞設備。液壓泵箱設備要適當墊高以防水淹。

6.2 鉆機操作注意事項

鉆機不得在無人照看的情況下運轉，在鉆進中，手不得離開給進手把。鉆進中，應隨時注意壓力表情況，發現異常，應立即處理。各種液壓裝置工作壓力范圍按《鉆機說明書》中規定執行。運轉中，經常注意各運動部位有無異常的響聲和高溫，如有異常立即停鉆處理。在鉆進中，因故停鉆時，應設法將鉆具提出孔口，防止埋、燒鉆事故。下鉆前必須嚴格檢查鉆頭的鑲焊質量，不合格者禁止使用。鉆頭離孔底一定距離時，應中提前開水，慢速掃孔,待鉆具掃到孔底，正常鉆進后，再給予所需的壓力和鉆速，正常鉆進時,嚴禁無故提動鉆具，發現孔內有異常時應立即采取措施。擰卸鉆頭時，嚴防管鉗咬傷合金或夾扁鉆頭。嚴禁猛墩鉆具。禁止將鉆頭在地面上拖拉。下鉆速度要均勻，避免沖撞孔壁，鉆具下放遇阻時，應立即提鉆排除故障。發生墩鉆或跑鉆事故，應取出鉆具,檢查鉆頭。 在鉆進中，認真做好“三看”、“二聽”、“一及時”，仔細判斷孔內情況。（“三看”即看給進壓力和進尺速度，看泵壓表和孔口上返水情況，看水接頭情況；“二聽”即聽機器運轉聲音，聽孔內震動聲；“一及時”即發現異狀及時處理）。

6.3 疏放水注意事項

3-807工作面采空區積水疏放由地測部具體負責，探放水隊負責現場施工，鉆孔標定由地測部專業人員進行標定，鉆孔方位角、開孔位置、高度、傾角必須按設計標定。隊組人員在鉆孔鉆進采空區后，配合探水隊人員回撤鉆桿、連接排水管路等工作。放水時，瓦斯檢查員要在現場檢查瓦斯、一氧化碳及硫化氫等有毒有害氣體。放水時，要安排專人監測鉆孔出水情況，測點水量、水壓并做好記錄。放水過程中出現鉆孔堵塞現象要及時通知探放水隊，并安排人員采用專業工具對鉆孔進行疏通，確保疏放效果。

7 經濟效益分析對比

根據《煤礦防治水細則》第八十二條要求，沿空掘進的下山巷道超前疏放相鄰采空區積水的，在查明采空區積水范圍、積水標高等情況后，可以實行限壓（水壓小于0.01 MPa）循環放水，但必須制定專門措施由煤礦總工程師審批。按本細則要求，將水頭標高疏放至安全高度，需在3-8061順槽施工不少于61個疏放水鉆孔，單孔深度20 m，工程量1 220 m，施工天數61 d。施工分段疏放后，在3-8061順槽只需施工18個鉆孔，鉆孔深度60 m，工程量1 080 m，施工天數36 d，節約水倉施工2處。

表1 疏放設計方案對比分析

8 總結

截止目前3-807工作面采空區積水疏放工作從2020年8月25日開始，歷時9個月，各鉆場鉆孔已完成疏放任務且鉆孔已封堵，完成了階段性目標。截止目前工作面采空區積水已累計疏放881 286 m3，日均放水2 176 m3，效果比較明顯，水位已下降至安全位置，達到安全生產要求。為正確指導生產提供了科學依據，保證了3-8061順槽的安全掘進，為礦井正常采掘銜接奠定了基礎。

采空區積水分段疏放技術項目以疏放3-807工作面采空區積水為試驗工作面，合理的對采空區積水進行分段，采用集中高壓放水，即保證放水鉆孔施工安全，又能快速的將積水疏放完畢。即安全可靠又能減少施工鉆孔，具有非常重要的研究意義。第四鉆場鉆孔設計優化后，鉆孔可留作長期觀測孔使用，即是疏放鉆孔又可分析監測采空區積水變化情況，對3-8063順槽掘進提供了安全保障。

3-807工作面采空區高水頭積水分段疏放技術研究與實踐，對其他礦井類似條件下的采空區積水疏放有一定的參考價值。采空區高水頭積水分段疏放技術成熟后，在全公司進行推廣，形成疏放高水頭采空區積水施工工藝及相關安全技術措施，并且能夠培養一批疏放高水頭采空區積水技術人員及技術類工人。