資源整合礦井老空水探放技術(shù)研究

閆錦浩

（汾西礦業(yè)正升煤業(yè)，山西 汾陽 032200）

0 引言

資源整合礦井在煤炭回采時，由于淺部的小煤窯生產(chǎn)布置不規(guī)范或者遺留的采空區(qū)位置不詳細(xì)，制約了后續(xù)瓦斯治理、防治水以及采面布置等工作[1-2]。特別是當(dāng)采掘作業(yè)面靠近老空區(qū)積水區(qū)時，容易出現(xiàn)出水量增大甚至涌水等事故，為確保煤炭安全回采，需進(jìn)行超前探放水[3]。常規(guī)的超前探放水鉆孔受鉆探距離小、施工精度低以及布置位置受限等多種因素影響，存在探放水效率低、耗時長以及影響后續(xù)生產(chǎn)等問題。隨著先進(jìn)鉆進(jìn)設(shè)備的推廣應(yīng)用，定向鉆孔在煤礦井下瓦斯治理、地質(zhì)構(gòu)造探測以及防治水等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，為井下老空水探放工作開展提供了新的途徑[4-6]。定向長鉆孔施工時通過隨鉆測量設(shè)備、帶一定彎角螺桿等可實時控制鉆孔鉆進(jìn)角度、方位，掌握鉆孔軌跡，從而可明顯提高老空水探放效率[7-8]。山西某礦為資源整合礦井，井下12402 綜采工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)時受采空區(qū)積水影響，因此，將定向長鉆孔應(yīng)用到超前探放水中，以便為巷道掘進(jìn)及煤炭回采創(chuàng)造良好條件，并降低老空水探放成本。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦為資源整合礦井，井田開采區(qū)域內(nèi)有1號、2 號、3 號、7 號、9 號和13 號等多層煤層，煤層層間距較小。淺部的煤炭資源受小煤窯開采破壞，部分區(qū)域不可采，井田開采范圍內(nèi)水文地質(zhì)為簡單—中等。小煤窯開采形成的采空區(qū)積水會影響同煤層以及下部煤層采掘作業(yè)。12402 綜采工作面開采的2 號煤層賦存穩(wěn)定，為優(yōu)質(zhì)無煙煤，發(fā)熱量高、開采經(jīng)濟(jì)效益較好，2 號煤層傾角為2°～8°、煤厚均值為3.5 m，頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖為主，設(shè)計推進(jìn)距離為2 150 m、傾向為208 m。12402 綜采工作面為孤島工作面，采面兩側(cè)均為采空區(qū)，與南側(cè)的12401采空區(qū)（采空區(qū)探測CO 濃度高，留設(shè)的保護(hù)煤柱較寬）間留設(shè)34.4 m 寬的保護(hù)煤柱、與北側(cè)的12403 采空區(qū)（為提高煤炭資源采收率，留設(shè)的煤柱較窄）間留設(shè)10 m 保護(hù)煤柱，具體采面位置如圖1 所示。

圖1 采面位置示意圖

12402 綜采工作面運輸巷為矩形巷道，設(shè)計掘進(jìn)長度為2 225 m，沿著回采的2 號煤層底板掘進(jìn)，巷寬×巷高=5.6 m×3.5 m。回風(fēng)巷斷面為矩形，設(shè)計掘進(jìn)長度為2 248 m，沿著回采的2 號煤層底板掘進(jìn)，巷寬×巷高=5.6 m×3.5 m。回采巷道均采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。

1.2 防治水難點

12402 回風(fēng)巷與鄰近的12403 采空區(qū)間留設(shè)10 m保護(hù)煤柱，巷道為下山施工，角度為0°～6°（均值為2°），使用普通鉆進(jìn)施工探放水鉆孔無法一次疏排干鄰近采空區(qū)內(nèi)的積水，采用短掘短探放水進(jìn)行探放水，存在布置鉆場、水倉多問題，施工周期短、作業(yè)勞動強(qiáng)度大，進(jìn)而影響回風(fēng)巷掘進(jìn)效率。同時，采用的普通鉆孔，由于施工時鉆孔軌跡不可控，無法保證直線鉆進(jìn)，鉆孔實際軌跡往往呈現(xiàn)拋物線狀，無法沿著預(yù)先設(shè)計的軌跡鉆進(jìn)，在一定程度上影響了探放水效果。防治水管理規(guī)定要求采掘作業(yè)面與采空區(qū)間距30 m 前須進(jìn)行老空區(qū)探放工作，而回風(fēng)巷留設(shè)10 m保護(hù)煤柱，不滿足防治水規(guī)定要求。

12402 回風(fēng)巷留設(shè)的10 m 煤柱在覆巖應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向壓力等影響下，裂隙較為發(fā)育，頂板出現(xiàn)一定程度離層現(xiàn)象，若回風(fēng)巷掘進(jìn)至12403 采空區(qū)積水區(qū)時，老空水容易沿著煤柱裂隙向巷道掘進(jìn)空間涌入，甚至出現(xiàn)突水情況。原設(shè)計通過運輸巷施工措施巷（具體措施巷位置如圖1 所示），通過措施巷布置探放水鉆孔疏排12403 采空區(qū)積水，雖然能滿足探放水需要，但是措施巷施工需要調(diào)其他掘進(jìn)巷道隊伍掘進(jìn)，會影響其他采區(qū)巷道的掘進(jìn)效率。同時，巷道掘進(jìn)成本、支護(hù)成本等均較高，采面后續(xù)回采期間還面臨有過空巷問題。因此，經(jīng)過綜合分析，決定采用長距離定向鉆孔對12403 采空區(qū)積水進(jìn)行疏排。

2 疏排水鉆孔布置方案

受采面運輸巷施工條件限制，運輸巷內(nèi)布置的探放水鉆孔布置在2 個鉆場內(nèi)，其中一個鉆場位于原措施巷開口處（里程1 678 m 位置），鉆場內(nèi)布置3 個鉆孔，為避免12402 回風(fēng)巷掘進(jìn)時揭露施工探放水鉆孔而引起出水情況，將鉆孔設(shè)計為U 型，即鉆孔從12402 回風(fēng)巷底板4 m 位置穿過，具體探放轉(zhuǎn)鉆孔剖面如圖2 所示。另外一個鉆場位于原措施巷以里256 m 處，施工4 號鉆孔，提高老空水疏排效率。

圖2 定向探放水鉆孔布置示意圖

定向長鉆孔開孔段（15 m）用Φ96 mm 鉆頭鉆進(jìn)后，用Φ173 mm 鉆頭完成擴(kuò)孔，然后下放Φ127 mm套管，并通過注漿封孔，具體開孔段結(jié)構(gòu)如圖3 所示。采用Φ96 mm 鉆頭按照預(yù)先設(shè)計軌跡施工至采空區(qū)積水區(qū)。定向長鉆孔鉆進(jìn)時使用的主要設(shè)備包括有ZYWL-6000DS 液壓鉆機(jī)、ZSZ1000 隨鉆測量系統(tǒng)、L1122 泥漿泵和PDC 鉆頭等。

圖3 鉆孔開孔段結(jié)構(gòu)圖

3 現(xiàn)場探放水效果分析

3.1 探放水鉆孔出水情況

2021 年5 月4 日完成1 號、2 號和3 號定向長鉆孔施工，鉆孔初期排水量均超過120 m3/h。鉆孔排水至5 月19 日后，類似疏排老空水達(dá)到66 395 m3，3 號鉆孔已無水排出，1 號和2 號鉆孔出水量降至75～90 m3/h。4 號鉆孔在5 月6 日完成施工，初期鉆孔出水量在103.5 m3/h，后隨著疏排水時間增加、采空區(qū)積水高度及水壓降低，鉆孔出水量不斷減少。6 月5 日，1 號、2 號和4 號鉆孔出水量均降至20 m3/h 以下，3 號鉆孔不再出水。

3.2 探放水效果

12402 回風(fēng)巷受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力及老空水等影響，巷道圍巖控制及防治水難度較高。為確保12402回風(fēng)巷安全高效掘進(jìn)，在運輸巷內(nèi)布置定向長鉆孔，提前對影響12402 回風(fēng)巷掘進(jìn)的12403 采空區(qū)積水進(jìn)行疏排。布置的定向長鉆孔累計疏排水量達(dá)到3.65 萬m3，基本疏排了采空區(qū)內(nèi)積水，后續(xù)施工的檢驗鉆孔均未出水。

將定向長鉆孔設(shè)計成U 形，即鉆孔從回風(fēng)巷底板穿過，進(jìn)入到12403 采空區(qū)積水，避免了回風(fēng)巷掘進(jìn)揭露疏排水鉆孔期間出現(xiàn)的突水問題。同時，疏排水鉆孔在使用期間未出現(xiàn)堵塞情況，表明在采空區(qū)內(nèi)積水水壓差可確保鉆孔順利疏排水。通過在12402 運輸巷內(nèi)布置定向長鉆孔，可減少措施巷掘進(jìn)工程量。疏排水鉆孔可超前12402 回風(fēng)巷500 m 以上對12403采空區(qū)積水進(jìn)行疏排，當(dāng)12402 回風(fēng)巷掘進(jìn)至12403采空區(qū)區(qū)時，采空區(qū)內(nèi)積水已基本疏排干凈，從而解決了12402 回風(fēng)巷水害問題，為巷道安全掘進(jìn)以及12403 工作面早日投產(chǎn)創(chuàng)造了有利的條件。

4 結(jié)論

1）12402 綜采工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)時受鄰近12403采空區(qū)內(nèi)積水影響，若通過布置措施巷方式進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)積水疏排，需要單獨掘進(jìn)一條巷道，防治水成本較高且措施巷會影響后續(xù)采面生產(chǎn)。為此，在12402運輸巷內(nèi)布置定向長鉆孔，對12403 采空區(qū)積水進(jìn)行定向疏排。布置的定向長鉆孔均為U 形，即鉆孔從12402 回風(fēng)巷底板穿過，進(jìn)入12403 采空區(qū)積水區(qū)，從而避免12402 回風(fēng)巷掘進(jìn)至疏排水鉆孔期間出現(xiàn)鉆孔涌水量大或者突水問題。

2）在12402 運輸巷共計布置4 個定向長鉆孔，累計疏排12403 采空區(qū)積水約3.65 萬m3，基本解決了采空區(qū)積水對12402 回風(fēng)巷掘進(jìn)的影響。同時，定向長鉆孔疏排水期間未出現(xiàn)堵塞情況。