巨厚含水層補給采空區探放水技術應用

張寶鋒，余智秘，韓定鋒，張旺余

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

彬長礦區井下回采期間主要水害威脅為工作面頂板垮落裂隙發育導通上覆巨厚含水層形成的頂板水害，但隨著礦井回采工作面不斷增加，老空水也逐漸成為制約礦井安全生產的主要因素。老空水靜儲量大且受頂板水長期補給[1 -3]，目前主要的防控措施為自流疏放、留設防隔水煤柱等，但受到沖擊地壓和復雜地質構造威脅，以上措施使用范圍有限。為有效解決老空水害的威脅，同時兼顧防滅火、瓦斯、沖擊地壓等多重隱患交織的情況，需對以往的探放水手段進行優化和完善，從而達到解除水害威脅同時不引起其他次生災害發生的目的[4 -6]。為此，以胡家河煤礦采空區積水探放水工程為例，對探放水設計及施工進行研究。

1 工作面概況

1.1 工作面水文地質概況

402103綜放工作面是胡家河礦井在402盤區布置的第一個工作面，南側為大巷煤柱，北側為無煤區，西側為402102工作面(402盤區第2個工作面，已回采完畢)，東側為402104工作面(未開采)，如圖1所示。該工作面可采長度1 897 m，傾向長180 m，可采面積341 460 m2，埋深586～710 m，工作面地層整體向北西及北北東方向傾斜，傾角3°～9°，一般在5°左右，可采煤層厚度平均為13 m，于2016年12月回采封閉結束。工作面涌水來源主要為頂板洛河組砂巖孔隙裂隙含水層，該含水層平均厚度332 m，富水性中等，工作面回采后洛河組含水層水通過導水裂隙進入工作面形成持續穩定出水，回采期間正常出水量400 m3/h、最大涌水量450 m3/h。

圖1 402103工作面位置示意Fig.1 Location diagram of 402103 working face

1.2 工作面積水區形成過程

402103工作面剖面整體成“V”字型，且運輸巷整體低于回風巷，因此工作面推采過最低點，后通過最低點附近2個導水聯巷將老空水經運輸巷導至402103泄水巷進行滯后排水。402103工作面西側為402102工作面，該工作面整體走勢與402103工作面類似，且由于煤層賦存原因，402102工作面煤層整體低于402103工作面，因此在2個工作面之間設計施工導水聯巷，待402102工作面推采過最低點后，將402103工作面老空水通過導水聯巷利用高差自流至402102工作面采空區，然后2個采空區涌水經最西側402102泄水巷排水系統將共同排至中央二號水倉，至此402103泄水巷排水系統撤出、巷道封閉。之后由于采空區垮落導水通道堵塞，402103采空區在向斜軸部形成積水區，老空積水補給來源主要為頂板洛河組砂巖含水層水。

1.3 采空區水文物探成果

從402104回風巷向402103采空區實施了直流電法探測，用以探查該采空區積水區位置和分布特征。圖2為402103工作面采空區積水異常成果圖，可以看出視電阻率等值線整體在42～56。結合相鄰巷道淋水情況，發現該段采空區積水范圍較廣，積水區已延伸至工作面邊界附近，該工作面上覆含水層水通過F7斷層及其裂隙向采空區域進行補給。402104回風巷與402103工作面之間煤柱寬約39 m，橫向上可起隔水作用，故分析采空積水對402104工作面掘進威脅有限，但隨著工作面回采，煤層裂隙發育同時受到F7斷層影響，防隔水煤柱穩定性降低可能會造成水害事故，應在回采前對402103采空積水區做疏放水工作。

圖2 402103工作面采空區積水異常成果Fig.2 Results of abnormal water accumulation in goaf of 402103 working face

1.4 面間防隔水煤柱留設情況

402104工作面與402103工作面間留設有39 m寬防隔水煤柱。其中，在工作面最低點402104回風巷與402103水倉間垂直煤柱為10 m，根據《煤礦防治水細則》附錄六防隔水煤(巖)柱的留設公式計算2個工作面間防隔水煤柱寬度[7 -9]。

(1)

考慮受巷道掘進以及沖擊地壓影響，煤體較為破碎，因此式(1)中K取3，M取4 m，p取0.4 MPa，Kp取0.2 MPa。得出2個工作面間防隔水煤柱寬度應不小于14.7 m，但目前實際最小煤柱寬度為10 m，不滿足規定的要求。

2 采空區積水治理方法

2.1 工程背景

至402103工作面回采結束時涌水量為450 m3/h，4個月后就衰減至350 m3/h，20個月后衰減至130 m3/h，說明工作面回采結束后老空垮落阻擋了回順側涌水未導流至泄水巷，造成工作面水量積聚水面上升，參考相鄰礦井內已回采工作面涌水量變化趨勢分析，目前402103工作面涌水量約為290 m3/h，即回順側涌水量約為150 m3/h。隨著采空區水量不斷補給和相鄰402104工作面采掘活動深入，加之向斜軸部附近防隔水煤柱寬度存在無法滿足回采期間阻隔高水頭積水區的可能，因此急需采取積水區探放水解危措施。

2.2 探放水方案

此次探放水工程目的是對402103積水區物探成果進行驗證，并對老空水進行提前疏放，解除老空水害威脅。因此，探放水作業終孔位置為402103回風巷及水倉，均位于侏羅系延安組下段4號煤層中。鉆孔設計依據《煤礦安全規程》《煤礦防治水細則》，本次共布置探放水鉆孔9個(TF1～TF9)，開孔位置均在402104回風巷副幫側，孔徑均為94 mm，鉆孔施工前對鉆孔附近進行注漿加固，然后安裝孔口管，并在孔口安設防噴閘閥。鉆孔具體參數見表1，鉆孔平、剖面布置如圖3所示。

表1 注漿鉆孔實際施工參數匯總

圖3 402103工作面積水區探放水鉆孔平、剖面Fig.3 Plan and profile of water detection and water release drilling hole in 402103 working face pools zone

2.3 探放水施工

探放水作業前在巷道最低點安設有2套排水系統，最大排水能力1 720 m3/h，安設3趟φ315 mm、1趟φ159 mm排水管，其間最大疏放水量為420 m3/h，完全滿足排水需求。探放水鉆孔由探放水隊采用專用ZDY-4000L型煤礦井下全液壓坑道鉆機施工，孔口安裝防噴分流閘閥，孔口管長度均大于6 m，固管24 h后進行耐壓試驗，穩壓3 MPa、持續時間30 min，歷時15 d完成全部鉆孔施工工作，探放水隊嚴格按照設計參數施工，各單孔施工結束后進行單孔驗收，各孔施工時均嚴格按照設計參數執行，探放水鉆孔相關情況匯總見表2。鉆孔初始涌水量除TF1孔較大外，其余各孔水量均較小，由于受施工前后順序影響各孔水壓有所不同。

表2 注漿鉆孔實際施工參數匯總

3 探放水工程經驗總結

3.1 現場施工經驗總結

TF1孔由402104回風巷穿過10 m厚保護煤柱至402103回風巷，該孔貫通后水量最大且后續泄水期間水量一直較為穩定，但受較高水壓壓力沖擊孔內出水伴隨有煤渣出現?？紤]到煤柱穩定性，該孔一直用閥門控制放水量。以上情況足以說明采空區水壓達到一定值之后可以對煤柱造成較大破壞，尤其是煤柱內施工有各類鉆孔時，應嚴格管控向防隔水煤柱內施工各類鉆孔，發現導水裂隙應及時采取注漿加固封堵等措施防止出現水害事故[10 -12]。本次探放水施工前以鉆孔為中心直徑2.5 m范圍內對10 m厚煤柱進行深淺孔注漿加固，注漿孔角度與探放水鉆孔角度一致，孔徑均為φ42 mm，全孔深下注漿管(其中孔底留0.5 m長花管，其余為孔口管長)。所用注漿材料為SCPJG-2礦用復合加固材料(淺部孔和深部孔)和SCPJG-3高強度水泥(中部孔)，滿足加固速率快、強度高等要求。

3.2 疏放水數據分析

通過分析積水區疏放水期間水位及放水量變化，計算出不同水位標高段采空區積水面積、積水量以及孔隙率，見表3。分析發現該工作面回采后煤層向上至頂板3～5 m處孔隙率為10%～70%，說明該段煤巖體至直接頂段垮落較為充分，再向上巖層處于裂隙發育和彎曲下沉狀態空隙率較小，為3%～10%。402103積水區水位標高和采空區空隙率變化關系如圖4所示，通過本次采空區疏放水觀測，對以往的采空區空隙率值界定進行了科學地修訂，能夠為以后采空區水量判定以及治理工作提供可靠的依據。

表3 402103積水區疏放水期間各因素計算分析

圖4 402103積水區水位標高和采空區空隙率變化關系曲線Fig.4 402103 water level elevation of pools zone and change curve of void ratio in goaf

4 結語

經過約90 d疏放水最終402104回風巷最低點低于積水區水面4 m左右，總疏放水量穩定在160 m3/h。通過計算面間煤柱最小處10 m符合規定，說明已基本消除了采空區積水對工作面安全生產威脅，工作面可以安全生產。同時，經過本次探放水作業綜合分析各孔泄水量以及壓力變化，對物探成果中富水異常區進行了充分驗證，因此在本礦井以后的工作面采掘施工前，應及時采取物探加鉆探方式查清巷道內出水點水源，針對異常富水區域以及相鄰采空區積水進行超前探查和疏放，以確保采掘施工不受水害威脅。