淺談山西礦西五采區(qū)承壓水治理

熊國富，羅順根，付貴平，丁少平，彭小華

（江西新洛煤電有限責(zé)任公司 山西煤礦，江西 豐城 洛市331107）

1 概況

山西煤礦于1983年建井，1986年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.30Mt／a，后期為0.45Mt／a，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力0.33 Mt／a。礦井采用斜井開拓，有主井、副井、東風(fēng)井、西風(fēng)井四個井筒；采用走向長壁式炮采；支護(hù)形式為單體配π型梁支護(hù)；通風(fēng)方式為兩翼對角抽出式；可采及局部可采煤層共9層，現(xiàn)開采23＃煤層，煤層厚度平均5m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含多層薄層狀夾矸，普氏硬度3～4，煤層傾角8°～35°，偽頂為粉砂夾煤線，厚度0.8m，含炭質(zhì)較高，直接頂為粗粉砂巖，厚度0.5～1.2m，致密堅(jiān)硬，老頂為灰色細(xì)砂巖，厚度15m，堅(jiān)硬；直接底為粉砂巖，厚度2m，較為堅(jiān)硬，不易底鼓，老底為灰色細(xì)砂巖，厚度5m，致密堅(jiān)硬，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層極為發(fā)育，火成巖侵蝕嚴(yán)重。礦井為瓦斯礦井，瓦斯相對及絕對涌出量分別為5.13m3／t、3.26m3／min，煤層不易自燃，煤層無爆炸性。

西五采區(qū)23＃煤層厚度平均為5.34m，上覆24＃煤層已采完，其層間距為30m，煤層平均厚度為2m，西五采區(qū)24＃煤層開采面積為116475m2，采空區(qū)積水量計(jì)算為119138m3，由于23＃煤層為厚煤層，開采時上覆24＃煤層積水會沿頂板裂隙滲入23＃煤層工作面，給開采帶來困難，頂板淋水大，不僅造成作業(yè)環(huán)境差，而且嚴(yán)重影響煤炭質(zhì)量（見圖1）。

2 探放水工程設(shè)計(jì)

2.1 －300m西放水巷周圍的水文地質(zhì)情況

原西五采區(qū)24＃煤層工作面于2001年開始初采至2006年回采終止，采區(qū)平均走向長530m，傾向長220m，開采面積計(jì)116475m2，采空區(qū)積水量為119138m3。嚴(yán)重影響2361工作面的生產(chǎn)方案布局，為此從－300m西石門內(nèi)開掘一條專用放水巷，對24＃煤層工作面采空區(qū)積水進(jìn)行放水。

（1）－300m西放水巷處于236皮帶道東側(cè)，其標(biāo)高為－294m，全長130m，坡度為3‰，垱頭位置位于2449工作面采空區(qū)以下，其頂板標(biāo)高為－293.587m，根據(jù)計(jì)算，該垱頭頂部12m為24＃煤層底板。

（2）水頭高度：24＃煤層工作面采空區(qū)水頭高度為95 m（－190m～－285m），－300m西放水巷鉆場的垱頭標(biāo)高為－292m，故－300m西放水巷垱頭水頭高度為102 m，水頭壓力為10.2kg／cm2。

（3）24＃煤層工作面采空區(qū)積水量為11.9×104m3。

（4）預(yù)計(jì)補(bǔ)給水源涌水量為20m3／h。

（5）可能存在的不利因素。①正常涌水量屬計(jì)算涌水量，推測的數(shù)據(jù)可能存在誤差；②周圍小井開采及補(bǔ)給水源不明；③測量誤差。

圖1 西五采區(qū)23＃煤層采掘平面

2.2 鉆眼布置

（1）巷道開拓方向：－300m西放水巷在－300m西石門測3點(diǎn)開門，設(shè)計(jì)長度130m，方位190°，坡度為＋3‰，鉆場方位130°，坡度＋16°，斷面：寬2.4m，高2.2m，放水位置：距垱頭1m處。

（2）鉆眼布置：3組，每組2孔。

2.3 探放水孔布置

探放水鉆孔布置剖面和平面圖見圖2、圖3。

圖2 探放水鉆孔布置剖面

圖3 鉆孔布置平面

2.4 探放水超前距和幫距的確定

（1）超前距

①計(jì)算法：根據(jù)含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)公式計(jì)算：

式中：L為煤（巖）柱留設(shè)的寬度（m）；M為巷道跨度（m），取2.4m；K為安全系數(shù)，取2m；P為水頭壓力（MPa），取10.2（該放水巷垱頭標(biāo)高為－292m，24＃煤層工作面采空區(qū)水頭最高標(biāo)高為－190m，故水頭壓力為10.2MPa）；Kp為煤（巖）柱的抗張強(qiáng)度（kg／cm2），取1.35。

經(jīng)計(jì)算得：

②《煤礦防治水規(guī)定》第98條規(guī)定：最小水平鉆距不得小于30m，止水套管長度不得小于10m，故確定采用超前距為30m。

因此，確定采用鉆孔超前距為30m。

（2）放水巷垱頭位置的選擇

①計(jì)算法：根據(jù)安全隔水層厚度計(jì)算公式：

式中：t為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，m；γ為底板隔水層的平均重度，MN／m3；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

求得：

由于該處巖層巖性不好，為保險起見，安全隔水層厚度取計(jì)算值3倍，即9m，t＜t實(shí)。實(shí)際位置位于24＃煤層底板下12m處。

2.5 探放水設(shè)備及探放水鉆孔的布置方式

（1）探放水設(shè)備：鉆機(jī)型號為TXU－75A，鉆進(jìn)長度75～100m。

（2）探放水鉆孔布置方式（扇形分布）：見圖4。

圖4 探放水鉆孔布置

（3）探放水鉆孔施工順序：探放水鉆孔施工順序（孔號）：1－4－2－5－3－6。如施工有3個鉆孔放水時，停止施工，進(jìn)行放水，如施工孔未有流水，則繼續(xù)施工4－5－6號孔，直到有3個鉆孔放水為止。

（4）探放水鉆孔布置：見下表。

組號 孔號 方位／° 傾角／° 孔深／m 6 140 ＋30 50 123 1 130 ＋20 50 4 130 ＋30 50 2 120 ＋20 50 5 120 ＋30 50 3 140 ＋20 50

2.6 孔口裝置的安裝

探放水孔都必須安裝孔口安全套管，孔口裝置的施工和安裝程序如下：

（1）選擇巖層堅(jiān)硬完整的地段開孔，孔徑應(yīng)比孔口管直徑大1～2級，鉆至預(yù)定深度（根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》第20條，止水管長度大于15m，故深度確定為20m），將孔內(nèi)沖洗干凈。

（2）向孔內(nèi)注入水泥漿，將預(yù)先準(zhǔn)備的孔口管（末端應(yīng)塞以土塞）放入孔內(nèi)，待水泥漿凝結(jié)后，即可在孔口管內(nèi)鉆進(jìn)。另一種辦法是將孔口管插入孔內(nèi)后，在孔口用水玻璃和水泥將孔口管固定并封死，在管的上方另留一個小管，而后從孔口管內(nèi)向四周壓入水泥漿，開始從小管跑出空氣和水，待跑出濃水泥漿時即將小管封死，繼續(xù)向孔口管內(nèi)壓入水泥漿，至一定壓力后停止注漿，關(guān)閉孔口管上的閘閥，待水泥漿凝固。

（3）水泥漿凝固后進(jìn)行掃孔，待深度超過孔口管長度后，向孔內(nèi)壓水。如水壓值超過預(yù)計(jì)放水時水壓時，孔口鑒定周圍沒有漏水現(xiàn)象，說明合乎要求，否則仍需注漿加固。

（4）應(yīng)在孔口管上安裝水壓表。

2.7 放水鉆孔孔數(shù)的確定

（1）單孔出水量可由下式估算

式中：q為單孔出水量（m3／s）；C為流量系數(shù)，一般取0.6～0.62；W 為鉆孔的斷面積（m2），直徑60mm；g為重力加速度（9.8m／s2）；h為鉆孔出口處的水頭高度（m），h＝102m。為計(jì)算鉆孔的平均放水量，可取最大水頭高度的40%～45%。

求得：

（2）24＃煤層工作面采空區(qū)積水按下式估算

式中：W為采空區(qū)積水量（m3）；M為采厚（m），2m；L為采空區(qū)走向長度（m），530m；h為采空區(qū)內(nèi)的水頭高（m），95 m；α為煤層的傾角（°），平均25°；K為采空的充水系數(shù)，一般取0.3～0.5m。

求得：W＝（0.5×2×530×95）／sin25°＝119138m3

（3）最大應(yīng)放水量為

式中：Q為最大應(yīng)放水量（m3／s）；W為靜儲量或老空積水量（m3），W＝119138m3；t為允許放水期限（s）；Q動為動儲量或老空水正常補(bǔ)給量（m3／s）。

說明：允許放水期限應(yīng)根據(jù) －300m水泵綜合排水能力，故暫定為60天（即5184000s）。老空水正常補(bǔ)給量為20m3／h（0.006m3／s）。

求得：Q＝119138／5184000＋0.006＝0.029

（4）放水鉆孔的孔數(shù)為

式中：N為放水鉆孔的孔數(shù)；Q為最大應(yīng)放水量（0.029m3／s）；q為單孔出水量（0.03m3／s）。

因－300m水泵綜合排水能力為：1363m3／h，依據(jù)單孔平均放水量計(jì)算，排水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過放水流量。因此，綜合確定本次放水孔1個（108m3／h）。

3 取得的效果

在實(shí)際施工操作過程中，先用直徑65mm鉆頭進(jìn)鉆探孔，方位190°，傾角＋25°，在28m處見24＃煤層采空區(qū)積水，繼續(xù)前探10m至采空區(qū)頂部，共計(jì)38m。當(dāng)時出水量為25m3／h，然后改用直徑113mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔長度28m至24＃煤層采空區(qū)，出水量增加到80m3／h，同時，為防止采空區(qū)余煤余碴堵塞鉆孔，每班安排專人進(jìn)行洗眼放水，確保鉆孔放水有效。

通過52天的放水進(jìn)行疏干降壓后，已成功把原西五采區(qū)上覆24＃煤層的采空區(qū)積水疏干，現(xiàn)放水鉆孔只有10 m3／h的補(bǔ)給水源流出，共計(jì)放水量約17×104m3。不僅解決了上覆承壓水對2361工作面開采帶來的安全威脅和影響，也給后期2368工作面、2366工作面開采創(chuàng)造了良好的生產(chǎn)條件。疏水降壓開采提高了礦井開采的安全性及煤炭資源回收率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該項(xiàng)目在我礦西五采區(qū)2361面試采成功后，緊接著在2368面推廣應(yīng)用，同時對今后治理承壓水提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。