野川煤礦三采區過空巷防治水技術應用

樊大鵬

（晉能控股集團晉城公司，山西 晉城 048400）

1 礦井概述

1.1 井田布置情況

山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司礦井采用斜井開拓方式，全井田布置2 個開采水平，1 個輔助水平。3 號煤層為一水平，標高+740 m，11 號煤層為二水平輔助水平，標高+820 m，15 號煤層二水平，標高為+690 m[1-2]。

1.2 煤層賦層情況

3 號煤平均厚5.36 mm，抗壓強度為2.32 MPa；直接底為泥巖，厚1.5 m，抗壓強度為18.87 MPa；直接頂為泥巖，厚1 m，抗壓強度為22.5 MPa。

1.3 采區布置現狀

三采區位于井田中部，采區內部受兼并重組前原山西高平柳樹底煤業有限公司、原山西高平北楊煤業有限公司開采破壞影響，存在較多小窯破壞區，部分小窯破壞區內存在采空區積水。根據三采區設計規劃，設計在三采區中部沿3 號煤層頂板東西向布置一組采區巷道作為三采區開采巷道，延伸至井田東部古空區西部邊界，現基本已施工到位[3]。

三采區三條大巷附近有JS4、JS5、JS6、JS7 四處采空積水，積水面積共91 014 m2，積水量共146 782 m3。根據采掘工程平面圖，三采區內采空區處最高標高+790 m，按最不利條件下，即采空區內部全部充滿水的情況，積水標高+795 m，三采區巷道貫通老巷處最低底板標高取+762 m，水頭壓力為0.33 MPa[4]。

2 三采區老空區積水特征

2.1 老空積水來源分析

對照3 號煤層礦井充水性圖分析[5]，這些老空區都存在不同程度的積水，既有集中連片的大面積積水區，也有位于空巷低洼地帶的小范圍積水區。老空水的來源有以下幾個方面：

1）大氣降水。大氣降水通過不同成因的基巖裂隙及松散堆積物孔隙在裂隙溝通的情況下進入采空區，成為采空區充水的間接但重要的補充來源。對比分析3 號煤層底板等高線與埋深等值線，受煤層底板高程控制，采空區積水由東南向西北匯聚，受大氣降雨影響，礦井涌水量具有明顯的動態變化特征。2010 年10 月初，本地區發生連續強降雨，礦井涌水量達到134.3 m3/h，說明大氣降水通過裂隙、煤層露頭補給地下水。

2）頂板含水層水滲入。在采空區頂板冒落帶、裂隙帶影響高度范圍內，各含水層的水緩慢流入采掘空間，成為老空區充水的主要來源。二疊系碎屑巖裂隙含水層包括K9、K8、K7 等砂巖，其中K8 位于3 號煤層之上，對3 號煤層采空區充水的影響較大。

3）相鄰采空區積水涌入。周邊有其他煤礦的大面積采空區及古空區，可能存蓄著老空水。在采空區頂板巖石導水裂隙帶，或地質構造等不同溝通渠道的作用下，可對相鄰采空區產生不同程度的充水。

2.2 采區防水密閉涌水特征

根據三采區巷道實際揭露老巷情況，三采區巷道內共施工4 處普通密閉，編號為CB55、YCB68、YCB74、YCB61。通過現場觀測、記錄各個密閉的涌水量及其變化情況，分別對2022 年4—9 月三采區防水密閉涌水量進行了統計發現，YCB55、YCB68 和YCB74 三處密閉的涌水量均小于1.0 m3/h，涌水量基本穩定。YCB61 涌水量最大，2022 年6 月中旬至8 月下旬，涌水量在19.1～27.4 m3/h，從8 月下旬開始涌水量穩定在19.0 m3/h 左右，如圖1 所示。2022 年7—9 月三采區防水密閉涌水量合計約48 900 m3。由于普通密閉墻抗水壓強度低、堵水效果差，從9 月下旬開始，密閉墻出現破裂現象，墻體表面漿皮脫落，存在嚴重水害隱患。

圖1 三采區防水密閉4—9 月涌水量變化曲線及總涌水量圖

3 三采區過空巷綜合防治水技術

3.1 綜合探放水技術

1）在進行井下采掘作業之前，需要采用鉆探和物探相結合的方法進行老空區積水的探測，查明老空區空間分布，圈定垮落帶、導水裂縫帶大致范圍及其埋深，確定老空區積水范圍。此次電法勘探取得的主要成果為：圈定了3 號煤層老空區、老空積水區、巖層富水區范圍；推斷解釋3 號煤層老空區7 處，總面積792 129 m2；推斷解釋3 號煤層老空積水區7 處，總面積233 906 m2；推斷解釋3 號煤層附近巖層富水區1 處，總面積7 065 m2。

2）目前，野川煤礦主要疏放三采區膠帶巷迎頭的老空水。2022 年7 月8 日在三采區膠帶巷1 398 m 處進行超前鉆探施工時，鉆至76 m 時探測到原喬家溝煤礦采空區，然后對鉆孔周邊裂隙及出水鉆孔進行了注漿封堵加固。封堵結束后重新施工4 個放水孔，初始水壓0.92 MPa，9 月25 日水壓0.81～0.84 MPa；單孔初始水量23.8～105 m3/h，9 月25 日單孔水量100～145 m3/h，如圖2 所示。

圖2 三采區膠帶巷迎頭探放水示意圖

3）要及時排查地面裂縫和塌陷地點，并及時填塞，填塞后的地方必須徹底碾壓壓實。雨季需對重點危險區域進行巡查，礦區降大到暴雨時和降雨后，應派專業人員及時觀測礦井涌水量變化情況。

3.2 設置堵水密閉墻

根據三采區巷道實際揭露老巷情況，在三采區巷道內共需施工9 處防水密閉、13 處普通密閉。

3.2.1 密閉墻形狀確定

根據上述水壓計算，采空區水壓最大為0.33 MPa，小于1.6 MPa，根據施工難易程度，防水閘墻硐室墻體結構形式選擇楔形結構，如圖3 所示。采用強度為C30混凝土砌筑，砌筑后腔體軸心抗壓強度σc=14.3 MPa，軸心抗拉強度σt=1.43 MPa。

圖3 楔形結構堵水密閉墻平面示意圖（單位：mm）

3.2.2 防水密閉墻墻體厚度確定

防水密閉墻長度按下式計算：

式中：L 為密閉墻墻體長度，m；B 為密閉墻前、后巷道凈寬，5.2 m；H 為密閉墻前、后巷道凈高，2.8 m；p 為密閉墻硐室設計承受的水壓，0.33 MPa；r0為結構的重要性系數，取1.1；rf為結構的分項系數，取1.3；rd為結構系數，一般取1.20～1.75，此處取1.75；σcc為素混凝土的軸心抗壓強度設計值，其值按混凝土軸心抗壓強度設計值σc乘以0.85 確定，即12.16 MPa；α 為凸基座支承面與硐室中心線間夾角，一般為20°～30°，取20°。由此可計算出密閉墻長度L=0.17 m。防水密閉墻的厚度應在計算值的基礎上考慮2～3 倍的安全系數，但密閉墻最小厚度不得小于3 m，所有取密閉墻厚度為3 m。

3.2.3 防水密閉墻施工

1）掏槽施工：掏槽一般應按先上后下的原則進行，矸石等雜物應清理干凈；即先掏槽巷道頂部，再施工兩幫，最后開挖巷道底部。頂部開挖后用錨網支護，確認安全后再施工兩幫，開挖后再用錨網支護，然后再開挖巷道底部；掏槽后在巷道四周打錨桿，桿體長度2 200 mm，外露500～700 mm，錨桿間距800 mm×800 mm，外露部分最好與鋼結構模板骨架連接，在混凝土澆筑時作為配筋一并澆筑，以提高防水密閉墻體穩定及抗剪性能。

2）防水密閉墻澆筑：對混凝土澆筑時，要將底部浮煤等全部清除干凈，并將鋼結構模板骨架、模板和預埋排水管安設好，各施工人員到齊、到位后進行澆筑，每一個密閉墻應連續澆筑，保證緊密結合，構成一個堅固整體。C30 混凝土各成分質量配比為0.38∶1∶1.1∶2.7，即水180 kg、水泥460 kg、砂510 kg、石子1 250 kg，水泥型號為425#水泥，砂子為中砂，含泥量（質量分數）不超過4%，石子粒徑小于16 mm。墻體澆筑期間要在巷道最頂部預留注漿管，在混凝土澆筑時可通過加壓的漿液在墻體四周接縫處擠壓充填密實，保證墻體強度。防水密閉墻澆筑竣工后，需對防水密閉墻四周的圍巖裂縫處進行注漿封堵，以防防水密閉墻周圍的圍巖通過裂縫向外滲水或涌水。

4 結語

野川煤礦對三采區老空巷積水來源、積水量進行合理分析，并采取合理防治水技術后，共計放水76 890 m3，并通過設置堵水密閉墻對殘余積水進行封堵，實測密閉墻放水量為21 118 m3，未出現防水墻破裂、滲水現象，堵水效果好，滿足煤礦防治水要求，取得了顯著應用成效。