孤島工作面綜合防治水技術應用

李旭東

(山西煤炭運銷集團 錦瑞煤業有限公司,山西 離石 033099)

煤礦井下采區回采工作面采用跳采方式,采面開采末期存在孤島工作面,采面兩側甚至三側均為采空區。孤島工作面回采期間受鄰近采空區瓦斯、水害、側向應力等因素影響較為突出,制約煤炭安全回采[1-2]。在孤島工作面回采巷道掘進及后續回采時,需結合現場情況有針對性地制定防治水技術措施,消除鄰近采空區內積水對生產的影響[3-5]。本文以山西某礦12216孤島工作面回采為工程背景,對現場使用的防治水技術方案進行分析,以期為其他礦井類似的孤島工作面防治水工作提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

12216孤島工作面東、西兩側分別為回采完畢的12212、12214工作面采空區,采面回采范圍內水文地質條件簡單,地質構造不發育。12216孤島工作面設計走向長850 m,傾向寬220 m,采用綜采工藝。采面范圍內12號煤層賦存穩定,厚度均值為4.5 m,煤層傾角2°～8°,頂、底板巖性以泥巖、灰巖、粉砂巖為主。采面回采時主要涌水水源為頂板灰巖含水層,該含水層富水性較差,補給不充分。12212、12214工作面回采時均為仰采,采空區充填矸石控制頂板變形,矸石充填率為85%.12216孤島工作面回采巷道掘進順序為:運料巷—切眼—運輸巷。

1.2 鄰近采空區積水情況

12212、12214工作面分別于2020年、2021年回采完畢,采面回采結束及設備回撤完成后,均在采面回采巷道開口處施工密閉墻對采空區進行密閉,密閉墻位置均無滲水情況。12212工作面采空區底板最高處位于采面運輸巷密閉墻位置(底板標高為+770 m);12214工作面采空區底板最大標高位于采面運料巷密閉墻位置(底板標高為+756 m);底板標高最低位置位于運料巷與切眼交匯位置(底板標高+665 m)。根據采空區分布情況及積水標高,預計12212采空區、12214采空區內積水量分別為2 344.6 m3、4 852.7 m3.具體采空區內積水情況如圖1所示,圖中陰影處為預計積水區范圍。

圖1 鄰近采空區內積水

2 巷道掘進探放水

2.1 探放水線確定

12212采空區積水最高標高為+770 m,最低為+641 m,水壓為1.29 MPa;12214采空區積水最高標高為+756 m,最低為+665 m,水壓為0.91 MPa.結合采空區內積水賦存情況以及現場開采條件,確定隔水煤柱寬度,具體計算公式為[6-7]:

(1)

式中:L為隔水煤柱寬度,m;K為安全系數,取2～5,本次計算取2.5;M為巷高,取3.5 m;p為水壓,12212采空區取1.29 MPa,12214采空區取0.91 MPa;Kp為12號抗拉強度,取0.21 MPa.

將上述參數帶入公式(1)即可求得12212采空區隔水煤柱寬度為18.8 m,12214采空區隔水煤柱寬度為15.8 m.為確保巷道掘進安全,結合礦井防治水相關要求,將隔水煤柱寬度確定為30 m,即采空區積水線外推30 m作為探放水線。具體圈定位置如圖1所示。

2.2 12212采空區疏排水

1) 12212采空區疏排水方案。在臨近12212采空區的12216運料巷掘進時,當巷道掘進高度低于12212采空區積水標高(+770 m)1 m后,即停止掘進,并在巷道掘進迎頭施工探放水鉆孔。探放水鉆孔施工完成后,記錄鉆孔出水量直至鉆孔不出水,隨后反復掃孔至鉆孔不再出水或者孔內水壓降至0.以疏排水后12212采空區新的積水高度為計算依據,并結合巷道底板坡度變化情況,確定探放水后巷道允許掘進距離。允許掘進距離可依據公式(2)計算[8]:

L=h/sinα

(2)

式中:L為疏排水后允許掘進距離,m;h為單次疏排水后采空區積水高度降低量,取0.5 m;α為巷道底板坡度,取9°～14°.將上述參數帶入到公式(2)中即可求得L=2～3 m.

在巷道掘進時重復施工探放水鉆孔,直至鄰近的12212采空區內積水高度降至最低積水高度(標高+641 m)。此時在12212采空區內留設觀測孔,實時掌握采空區內積水變化情況,并對積水進一步疏排。

2) 12212采空區疏排水效果。在12216運料巷掘進至12212采空區探放水線內后,每掘進2～3 m施工1組探放水鉆孔,每組包含2個鉆孔,鉆孔間隔均為0.5 m,終孔均應深入到采空區。在12216運料巷掘進期間共計施工169 m疏排水鉆孔,鉆孔疏排完成后均使用黃泥堵孔,以減少瓦斯涌出量及巷道漏風量。在疏排水期間,對鉆孔出水情況進行統計,共計疏排水量達到5 983 m3,鉆孔實際疏排水量較預計采空區含水量大。通過疏排后,12216運料巷掘進期間圍巖無滲水情況出現,有效解決了鄰近12212采空區積水對巷道掘進及采面后續回采的影響。

2.3 12214采空區疏排水

1) 12214采空區疏排水方案。 在12216切眼掘進至12214采空區探水線位置后,施工探放水鉆孔對12214采空區內積水進行疏排,具體布置如圖2所示。

圖2 12214采空區積水疏排

12214采空區內積水靠近12214切眼附近,為此,提出通過集中疏排方式對12214采空區內積水進行疏排,確保12216切眼及運輸巷掘進安全。在12214切眼掘進至12214采空區探水線后停止掘進,在迎頭下臥1 m確保下臥后底板標高降至+665 m,在底板上方0.5 m,1 m位置布置鉆孔,對12214采空區內積水進行集中疏排。在12216切眼內共計布置5個鉆孔,鉆孔深度為50 m,并確保鉆孔終孔位于12214采空區靠近底板位置。具體鉆孔開孔布置情況見圖2(b)。鉆孔施工時先施工上排鉆孔,后施工下排鉆孔。具體施工順序為:1-1—1-3—1-2;2-1—2-3—2-2.通過間隔施工可降低鉆孔施工擾動,降低鉆孔塌孔發生率。第一組鉆孔、第二組鉆孔與底板間距分別為0.8 m,1.5 m,鉆孔仰角為2°～5°,其中1-1,2-1鉆孔向采面側有8°～10°偏角,1-2,2-2鉆孔向采面側有3°～5°偏角,1-3鉆孔向采面側有0°～1°偏角,以實現12216孤島工作面附近12214采空區內積水疏排。

2) 12214采空區疏排水效果。先施工的1-1,1-3鉆孔進入到12214采空區后鉆孔出水量穩定在40 m3/h,為進一步增大鉆孔疏排水量,后續開始施工1-2及下部的2-1,2-2鉆孔。鉆孔施工完成后,排水量達到150 m3/h,對疏排水鉆孔排水量進行監測,鉆孔疏排期間共計排放7 950 m3積水,疏排水量較預計的12214采空區含水量大。主要是由于12214切眼疏排水鉆孔布置位置為12214采空區積水區最低處,布置的鉆孔可實現采空區積水全部疏排;12214采空區可能與鄰近的12210采空區間存在水力聯系通道,從而導致部分積水涌入到12214采空區內。

在12216切眼布置鉆孔對12214采空區積水進行集中疏排后,12216切眼及運輸巷在12214采空區探放水線內掘進時圍巖未出現淋水甚至滲水情況,同時后續布置的探放水鉆孔大部分未出水,少部分鉆孔出水量均在0.5 m3/h以內。表明實現了12214采空區集中疏排。

3 結 語

根據12216孤島工作面回采區域現場地質條件和鄰近采空區積水情況,結合理論分析及礦井防治水相關規定,確定采面回采巷道掘進時的探放水線。在靠近12212采空區的12216運料巷掘進至探放水線時,每掘進2～3 m布置1組探放水鉆孔,對12212采空區積水進行疏排。在12216切眼掘進時,由于12214采空區內積水最低處靠近12216切眼位置,提出通過集中疏排方式疏排12214采空區積水,確保積水高度位于12216切眼及運輸巷標高以下位置。

對12212及12214采空區內積水進行疏排后,12216孤島工作面回采巷道、切眼掘進時圍巖未出現淋水、滲水等問題,采面后續回采期間也未受到鄰近采空區內積水影響,表明現場使用的防治水技術措施取得了較好效果。