礦井防治水技術(shù)綜合研究與應(yīng)用

李永蘭

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 三礦,山西 陽(yáng)泉 045000)

近年來(lái)，隨著礦井產(chǎn)量的逐年遞增，礦井開(kāi)采深度也在不斷增加，礦井水害事故頻發(fā)，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在開(kāi)采過(guò)程中探索如何有效地防治礦井水害，避免水害事故，已成為礦井安全高效發(fā)展的重要研究方向。

1 礦井概況

陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司三礦建于1950年5月，隨著多年開(kāi)采，礦井資源萎縮，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井一對(duì)，即豎井，于1956年2月開(kāi)始建井，至1956年3月移交生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力350萬(wàn)t/a，開(kāi)采沁水煤田上石炭統(tǒng)15#煤層，井下劃分兩個(gè)開(kāi)采水平，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2 充水因素分析

2.1 充水水源

陽(yáng)泉三礦豎井?dāng)U四區(qū)主要充水水源為地表水、煤層頂板含水層水及老空水。地表水主要是擴(kuò)四區(qū)東北部馬家坡河，長(zhǎng)年流水，地表水補(bǔ)給充分。地下水主要為第四系孔隙潛水，山西組砂巖和太原組灰?guī)r裂隙水，巖層富水性相對(duì)較好，主要富水含水層為K2、K3、K4灰?guī)r。老空水主要指上部和周邊采空區(qū)積水，由于本礦區(qū)煤炭開(kāi)發(fā)歷史較長(zhǎng)，上部3#、6#、8#、9#、12#煤層均已開(kāi)采，充分塌陷后裂隙發(fā)育，補(bǔ)給水源沿裂隙下滲，形成老空積水。而且地下水、地表水、老空積水與大氣降水之間有著密切的關(guān)系，動(dòng)態(tài)變化受降水因素影響，具有明顯的季節(jié)性和周期性。

2.2 充水通道

充水通道是指充水水源或水體進(jìn)入礦井的通道。該礦充水通道主要包含采動(dòng)裂隙、孔隙、陷落柱等，采動(dòng)裂隙、孔隙是以淋水方式進(jìn)入礦井的通道。該通道滲入的地下水水量有限，流速較緩，一般不會(huì)釀成淹井事故。陷落柱是以較大流量迅速進(jìn)入礦井的通道，而且因井下開(kāi)采地表塌陷形成的裂隙帶發(fā)育，大氣降水可直接滲入井下。

3 主要水文地質(zhì)問(wèn)題

礦井以往所做的地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探工作查明了井田內(nèi)發(fā)育的含水層和隔水層、基本構(gòu)造發(fā)育情況，并分析各含水層的富水性和導(dǎo)水性等水文地質(zhì)條件，確定為水文地質(zhì)中等類型。隨著礦井開(kāi)采區(qū)域向深部及新采區(qū)的拓展，暴露和揭露的水文地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越多，如采空區(qū)積水、頂板巖層水、小煤窯老空水、陷落柱導(dǎo)水等。

3.1 采空區(qū)積水

陽(yáng)泉三礦豎井?dāng)U四區(qū)位于井田東南部之西側(cè)，擴(kuò)四區(qū)周邊東北部地表位于馬家坡河?xùn)|部，上部3#、9#煤層均已開(kāi)采，采空區(qū)形成至今時(shí)間久遠(yuǎn)，塌陷充分，采動(dòng)裂隙發(fā)育，采空區(qū)相互導(dǎo)通，水力聯(lián)系復(fù)雜，其間含水層水沿裂隙下滲補(bǔ)給15#煤采空區(qū)；而且地表位于馬家坡河?xùn)|側(cè)，大氣降水、地表水補(bǔ)給充分，補(bǔ)給水沿采動(dòng)裂隙下滲，最終在15#煤層采空區(qū)低洼處匯集，形成同層老空水。通過(guò)實(shí)測(cè)水位標(biāo)高，預(yù)計(jì)有采空積水93.05萬(wàn)m3。擴(kuò)四區(qū)15#煤層K8404、K8403工作面上方對(duì)應(yīng)二號(hào)井四區(qū)9#煤層采空積水體，預(yù)計(jì)積水量24 000 m3。采區(qū)南部K8402、K8401工作面東南部上方對(duì)應(yīng)二號(hào)井3#煤層采空區(qū)積水體，預(yù)計(jì)積水量65 000 m3。

采空區(qū)積水的賦存與采空區(qū)范圍形狀有關(guān)，往往聚積在采空區(qū)下部，一般以靜儲(chǔ)量為主，當(dāng)煤柱強(qiáng)度小于積水的靜壓時(shí)，即發(fā)生突水。一旦突水，往往來(lái)勢(shì)兇猛，瞬間涌水量較大。在短時(shí)間內(nèi)大量積水涌入礦井，進(jìn)入采掘空間，造成人員傷亡或淹井事故。

3.2 頂板含水層水

豎井?dāng)U四區(qū)位于陽(yáng)泉礦區(qū)最大的向斜構(gòu)造(賽魚(yú)—馬圈腦向斜)北翼，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，巖層富水性相對(duì)較好，以山西組砂巖和太原組灰?guī)r為主，主要富水含水層為K2、K3、K4灰?guī)r。而且隨著上部煤層的開(kāi)采，礦井涌水可能會(huì)隨巖層裂隙補(bǔ)給上部石灰?guī)r，由采區(qū)穿層巷道及首采工作面掘進(jìn)情況來(lái)看，本區(qū)上部四節(jié)石灰?guī)r巖層異常富水，但富水程度及范圍未知。頂板富水性極不均勻，給防治水工作帶來(lái)了一定的難度。

3.3 陷落柱導(dǎo)水

K8403工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露一導(dǎo)水陷落柱(陽(yáng)泉礦區(qū)第一個(gè)導(dǎo)水陷落柱)，雖提前進(jìn)行了打鉆探測(cè)、疏水降壓等措施，但仍發(fā)生了柱體潰泄事故。

4 水害防治技術(shù)綜合研究

隨著礦井開(kāi)采區(qū)域向深部及新采區(qū)的拓展，礦井暴露和揭露的水文地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越多。為了滿足礦井安全生產(chǎn)需要，該集團(tuán)對(duì)陽(yáng)泉三礦的防治水工作方針、技術(shù)路線、防治水方法進(jìn)行了論證，即在規(guī)劃的層次上力求正確，用以指導(dǎo)今后的防治水設(shè)計(jì)與實(shí)施。本礦井的防治水總體方針是：將區(qū)域水文地質(zhì)條件探查和工作面條件探查相結(jié)合，以工作面的防治水為重點(diǎn)；采用綜合探查手段，即物探與鉆探相結(jié)合，以井下探查工程為主。

4.1 同層老空水防治

由于擴(kuò)四區(qū)首采面工作面位于采區(qū)最北端，距離東北部15#煤層四、六采區(qū)采空區(qū)水平距離27～83 m。為了確保首采面的安全開(kāi)采，委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)首采工作面北側(cè)防隔水煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià)。工作面北部同層采空積水水位標(biāo)高595.35 m，積水量約93.05萬(wàn)m3。首采工作面推進(jìn)至830 m前不需要放水，在830～940 m以及1 100 m到停采線之間由于煤柱寬度小，存在突水危險(xiǎn)，必須在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)距切巷830～940 m、1 100 m到停采線兩處開(kāi)展探放水工作。

由于老空積水是人為采掘工程造成的，其分布規(guī)律不易掌握，具有隱蔽性，根據(jù)以往老空水害防治工作的經(jīng)驗(yàn)與三礦的生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)老空水防治應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行探放水制度，依據(jù)“有掘必探、先探后掘”的原則，制定合理有效的防治措施，同時(shí)應(yīng)根據(jù)老空積水的具體條件、礦井排水能力、生產(chǎn)現(xiàn)狀等，進(jìn)行合理控制探放，保證放水量能夠及時(shí)排出。選擇適當(dāng)?shù)姆潘畷r(shí)間，盡量避開(kāi)雨季和礦井涌水量高峰期。探放后可能對(duì)礦井帶來(lái)排水負(fù)擔(dān)時(shí)，應(yīng)調(diào)控性地進(jìn)行探放，

針對(duì)具體的水害情況，礦井先后在K8404進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)施工探放水鉆孔6個(gè)，累計(jì)工程量285.7 m，2008年5月—2009年11月累計(jì)疏放采空積水11.9萬(wàn)m3。同時(shí)在三下山補(bǔ)膠帶運(yùn)輸巷實(shí)測(cè)水位標(biāo)高，并結(jié)合探放水鉆孔打壓情況，掌握老空區(qū)積水水位，以指導(dǎo)防治水工作。

4.2 上部采空積水防治

由于本區(qū)15#煤層與9#煤層層間距約68 m，15#煤層與3#煤層層間距約113 m，如果在15#煤層內(nèi)施工探放水鉆孔，會(huì)存在水頭壓力大、工程量大以及鉆孔透孔效果差等問(wèn)題，因此，決定在15#煤層工作面走向高抽巷(11#煤層層位)內(nèi)對(duì)上部9#、3#煤層采空積水進(jìn)行探放。2008年11月—2013年2月，根據(jù)礦銜接部署依次在K8403、K8402、K8401高抽巷內(nèi)開(kāi)展探放水工作，施工探放水鉆孔16個(gè)，累計(jì)工程量901.9 m，累計(jì)疏放積水234 957 m3。

4.3 頂板含水層水防治

本采區(qū)上覆頂板巖層富水不均一，無(wú)論富水程度還是富水范圍均無(wú)依據(jù)，為了確保各回采工作面的安全，依次在各回采工作面開(kāi)采前委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采用瞬變電磁法進(jìn)行了水文物探，然后根據(jù)水文物探結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行打鉆、疏放水。

4.4 導(dǎo)水陷落柱的防治

K8403工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露一導(dǎo)水陷落柱，針對(duì)該陷落柱開(kāi)展了一系列治理措施，主要分為兩個(gè)階段：

4.4.1掘進(jìn)期間的探測(cè)、治理方案

1) 開(kāi)繞巷繞過(guò)陷落柱、在距陷落柱外側(cè)30.0 m處重開(kāi)補(bǔ)切巷。

在進(jìn)風(fēng)巷停頭退100.0 m開(kāi)進(jìn)風(fēng)繞巷，繞過(guò)陷落柱后仍按原設(shè)計(jì)繼續(xù)掘進(jìn)，繞巷與陷落柱共預(yù)留54.0 m煤柱。

在距陷落柱外側(cè)30.0 m處預(yù)留煤柱內(nèi)重開(kāi)補(bǔ)切巷，待工作面推進(jìn)至進(jìn)風(fēng)繞巷時(shí)，縮短工作面。工作面推過(guò)陷落柱范圍到達(dá)補(bǔ)切巷后，恢復(fù)工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度，棄采預(yù)留煤柱部分(見(jiàn)圖1)。

圖1 過(guò)陷落柱掘進(jìn)施工圖

2) 在K8403進(jìn)風(fēng)巷施工鉆孔疏放上部9#煤層采空積水。

為了解除上部9#煤層采空積水對(duì)K8403工作面的水患威脅，在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)開(kāi)展探放水工作，將上部9#煤層采空積水水位疏放降至9#煤隱伏陷落柱下方，切斷陷落柱導(dǎo)水水源。

3) 對(duì)K8403進(jìn)風(fēng)巷陷落柱柱體涌水進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，及時(shí)掌握涌水量變化情況。

4) 進(jìn)風(fēng)返頂頭貫通前對(duì)陷落柱進(jìn)行注膠加固。

經(jīng)過(guò)采取一系列的防治措施，取得了以下成果：

a) 陷落柱柱體涌水量減小。

b) 陷落柱范圍較預(yù)計(jì)范圍減小。

c) 進(jìn)風(fēng)巷順利貫通，對(duì)工作面回采運(yùn)輸出煤系統(tǒng)無(wú)影響。

鑒于以上現(xiàn)狀，同時(shí)考慮到工作面回采至繞巷需進(jìn)行拆架、縮減工作面寬度、搬家安裝、恢復(fù)工作面長(zhǎng)度等跳采施工，工藝繁瑣、復(fù)雜，而且還存在安全隱患，該礦決定K8403工作面硬過(guò)該陷落柱，并制定了專項(xiàng)防治水方案。

4.4.2回采階段的探測(cè)、治理方案

1) 在進(jìn)風(fēng)巷向陷落柱上部及工作面內(nèi)側(cè)施工2個(gè)鉆孔，一是探測(cè)陷落柱注膠以后上部是否重新積水，二是探測(cè)陷落柱注膠后的固結(jié)情況。

2) 在工作面采至陷落柱前要提前采用注膠工藝(在進(jìn)風(fēng)巷及K8402回風(fēng)、尾巷對(duì)陷落柱進(jìn)行注膠加固)，將陷落柱柱體與四周圍巖的裂隙充填密實(shí)，加固陷落柱和周圍煤體及頂板。陷落柱注膠加固圖見(jiàn)圖2。

圖2 陷落柱注膠加固示意圖

3) 回采期間加強(qiáng)工作面端頭支護(hù)和巷道超前維護(hù)，防止陷落柱抽冒，并且陷落柱外圍15.0 m范圍不放頂煤。同時(shí)必須配備不低于80.0 m3/h排水能力的排水設(shè)備。

回采前先后對(duì)陷落柱施工6個(gè)鉆孔，累計(jì)工程量265 m，疏放積水453 m3。不但對(duì)陷落柱導(dǎo)水情況和注膠加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證，而且為回采工藝的選擇提供了可靠的依據(jù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)K8403進(jìn)風(fēng)巷所揭露的導(dǎo)水陷落柱開(kāi)展一系列的防治措施，既保證了掘進(jìn)工作的順利完成，又為K8403工作面的安全回采奠定了基礎(chǔ)，避免了工作面中途拆架、搬家、安裝、端頭維護(hù)及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的工程，不僅減少了30天左右的跳采搬家、安裝等工程時(shí)間，也減少了原跳采方案造成的煤炭資源的損失，使工作面多采出了4.4萬(wàn)t煤炭資源，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，為今后防治水工作在導(dǎo)水陷落柱治理方面積累了經(jīng)驗(yàn)。

4.5 探放水鉆孔封孔技術(shù)研究

在礦井防治水的開(kāi)展過(guò)程中，進(jìn)行打鉆探放各類積水是最常用也最普遍的手段。然而，探放水鉆孔在探測(cè)、疏放采空積水解決水患的同時(shí)，也成為一種人為的導(dǎo)水通道，在探放水工作的末期又成為一種新的安全隱患。在探放水工程開(kāi)展過(guò)程中，尤其是對(duì)上部采空積水的探放過(guò)程中，由于采空積水體水頭壓力較大，一旦探放水鉆孔在施工過(guò)程中或透孔后疏放水過(guò)程中，由于封孔質(zhì)量(強(qiáng)度或密封性)差，導(dǎo)致止水套管受上方采空積水沖擊墜落或止水套管周圍發(fā)生不同程度漏水，不但威脅現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全，而且會(huì)由于上部采空積水無(wú)法控制，造成探放水地點(diǎn)設(shè)備被淹，甚至整條巷道、整個(gè)采區(qū)受水威脅，形成人為水害事故。所以，開(kāi)展探放水過(guò)程中，鉆孔的封孔工藝、質(zhì)量成為防治水工作中的重要問(wèn)題。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》第九十六條要求在預(yù)計(jì)水壓大于0.1 MPa的地點(diǎn)探水時(shí)，預(yù)先固結(jié)套管，套管口安裝閘閥。而擴(kuò)四區(qū)防治水工作開(kāi)展過(guò)程中，所有探放采空積水工程的預(yù)計(jì)水頭壓力(0.14～0.73 MPa)均大于0.1 Pa，尤其是在K8402高抽巷疏放上部3#煤層采空積水過(guò)程中，預(yù)計(jì)水頭壓力達(dá)0.73 MPa。運(yùn)用傳統(tǒng)的通過(guò)馬麗散反應(yīng)膨脹原理進(jìn)行封孔不能滿足封孔質(zhì)量要求，必須尋求一種更加科學(xué)、合理、安全的封孔工藝。

結(jié)合探放水實(shí)際，該礦摸索了一套封孔工藝，設(shè)計(jì)的止水套管為全長(zhǎng)11.5 m的4英寸優(yōu)質(zhì)鐵管，分為4部分，中間部分設(shè)絲扣，用管箍連接，單孔示意圖見(jiàn)圖3。為加強(qiáng)止水套管外壁與鉆孔的密封效果，在距止水套管頂部30 mm處加焊1個(gè)d193 mm的法蘭盤，盤上打孔，用木螺絲緊固1個(gè)外徑為193 mm、內(nèi)徑為108 mm、厚度不低于6 mm的密封圈，在距其底部500 mm處加焊1個(gè)d193 mm的法蘭盤，該法蘭盤在止水套管安裝前用棉絲、海帶等纏好。為保障封孔料能順利運(yùn)輸至止水套管頂部后再匯合反應(yīng)，距其頂部150 mm處在止水套管管壁的兩側(cè)焊設(shè)2個(gè)13#量筒，并在距底部500 mm處的法蘭盤與水套管管壁接觸面的兩側(cè)焊設(shè)2個(gè)13#量筒。止水套管底部焊接4英寸標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤，用以閥門的安設(shè)；為加強(qiáng)封孔管卡與止水套管之間的摩擦系數(shù)，在距止水套管底部150 mm處加焊焊點(diǎn)。

圖3 單孔設(shè)計(jì)示意圖

5 結(jié) 論

陽(yáng)煤集團(tuán)大部分煤礦開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng),經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采,淺部煤層已開(kāi)采殆盡,礦井將面臨向深部延伸的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,隨著開(kāi)采深度的增加,水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,受水害威脅程度加大,防治水形勢(shì)嚴(yán)峻。本文結(jié)合陽(yáng)泉三礦豎井?dāng)U四區(qū)具體的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,根據(jù)以往的礦井防治水工作及其主要水害特征,進(jìn)行了突水因素分析,通過(guò)對(duì)受水害威脅程度分析,對(duì)突水危險(xiǎn)程度進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。針對(duì)不同的水害采取科學(xué)手段進(jìn)行探測(cè)和分析,并進(jìn)行相應(yīng)的防治水方案設(shè)計(jì)(包括:巷道掘進(jìn)階段防治水方案、工作面回采前及回采過(guò)程中防治水方案),制定了技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的防治水工作的總技術(shù)路線：巷道掘進(jìn)前,采用物探超前探對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行探測(cè),若出現(xiàn)異常進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,并對(duì)含導(dǎo)水陷落柱進(jìn)行局部注膠加固以及注膠效果檢驗(yàn),不滿足要求則需再加固,直到滿足要求再進(jìn)行下一步的工作面回采前防治水工作；工作面回采中,流程同上,同時(shí)進(jìn)行突水監(jiān)測(cè),出現(xiàn)異常進(jìn)行處理,無(wú)異常則繼續(xù)回采，從而實(shí)現(xiàn)礦井安全回采。探放上部采空積水鉆孔的成功封孔，填補(bǔ)了該礦乃至全集團(tuán)公司在探放高壓老空水過(guò)程中封孔工藝技術(shù)區(qū)域的空白，值得推廣借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

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