28107工作面探放28109采空積水研究

徐友青

（西山煤電集團股份有限公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

西山煤電集團股份有限公司鎮(zhèn)城底礦屬帶壓開采礦井，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，處于西山區(qū)域地下水的徑流區(qū)，自投產(chǎn)以來礦井涌水量在149.6～467.8 m3／h，正常涌水量為252.1m3／h.影響礦井安全生產(chǎn)的主要水患有地表水、上覆基巖裂隙水、奧灰水、小窯水、采空積水。上覆基巖裂隙水和地表水對礦井生產(chǎn)的影響較小；奧灰水、小窯水、采空積水對礦井生產(chǎn)的影響較大，其中奧灰水為最主要的水患。奧灰靜止水位標高900m，受奧灰水威脅最嚴重的區(qū)域位于井田的南六采區(qū)，2.3#煤層奧灰最大水頭壓力為2.2 MPa，8#煤層奧灰最大水頭壓力為2.9MPa，全礦井2.3#煤層突水系數(shù)為0～0.026MPa／m，8#煤層突水系數(shù)為0～0.051MPa／m.該礦堅持“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，確保安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

該礦28107工作面位于南一下組采區(qū)，所采煤層為8#煤，工作面掘進過程中主要受奧灰水、頂板水和采空積水的威脅。28107工作面底板最大突水系數(shù)為0.017MPa／m，煤層實際隔水層厚度為70m，大于安全隔水層厚度7.97m，在沒有構(gòu)造導(dǎo)水的情況下，工作面是安全的。工作面頂板L1、K2、L4三層灰?guī)r裂隙水也是工作面的主要充水因素之一。隨著工作面的掘進，頂板裂隙增加，頂板灰?guī)r裂隙水會沿頂板裂隙和錨桿、錨索孔流入工作面內(nèi)，正常情況下，工作面僅有滴水、淋水現(xiàn)象，對工作面掘進影響較小。工作面北部為同層28109工作面采空區(qū)，預(yù)計采空積水面積為17770m2，積水量為15992m3，積水標高866～882m，最大水頭壓力為0.16MPa（見圖1），且28109采空積水區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。采空積水對28107工作面運輸巷施工威脅較大，必須提前探放。為此，編制了《28107工作面運輸巷探放28109采空積水設(shè)計及措施》進行放水。

圖1 28107工作面及28109采空區(qū)積水分布圖

2 探放水方案設(shè)計

2.1 放水量預(yù)計

1）單位流量計算。

式中：

q—單位流量，m3／min；

C—流量系數(shù)，取0.6～0.7；

W—鉆孔斷面積，m2（鉆孔孔徑為65mm）；

g—重力加速度，m／s2，取9.8；

H—工作面采空積水高度，一般取工作面采空積水高度的40%～50%，即5×50%=2.5m.

計算得：q=0.84m3／min=50.4m3／h.由于放水時壓力逐漸降低，鉆孔內(nèi)有雜物堵塞等影響，取0.7的出水量系數(shù)。

計算得：q=50.4×0.7=35.2m3／h

2）排水管徑和管路趟數(shù)計算。

根據(jù)下面公式計算排水的管徑：

式中：

QB—正常涌水量，m3／h，取35.2；

Vp—經(jīng)濟流速，m／s，取1.5～2.2；

計算得：dp=75.2mm，即需要1趟4英寸排水管。

2.2 鉆孔設(shè)計及要求

1）探放水設(shè)備。

采用ZYJ-500／160架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機。

2）鉆孔布置。

根據(jù)采空區(qū)積水標高866～882m，為了確保安全，水頭壓力不大于0.05MPa探放一次，超前距取30m.在28107工作面運輸巷，設(shè)計Z1、Z2、Z3、Z4共4個鉆孔進行探放。鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 鉆孔設(shè)計參數(shù)表

3）單孔設(shè)計。

鉆孔開始0～10.0m用113mm的鉆頭鉆進，然后安裝孔口裝置，安裝好孔口裝置后按65mm孔徑鉆進。

4）套管結(jié)構(gòu)及安裝。

a）套管為長10.0m直徑為89mm的無縫鋼管，在主管外側(cè)端頭用d8mm鋼筋焊制2個半圓環(huán)。

b）在套管外側(cè)焊接1個配套法蘭盤并配備閘閥和水壓表及流量儀。

c）用麻袋和聚胺脂使套管與圍巖固定，在鉆孔上下0.3m按與套管成15°角各打1根2.0m的樹脂錨桿，并用8#鐵絲或鏈環(huán)把錨桿與套管固定牢固（見圖2）.

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖及孔口套管示意圖

2.3 施工組織

1）該礦地質(zhì)測繪中心負責(zé)組織探放水隊，制定鉆探設(shè)計，現(xiàn)場給定鉆孔方位、傾角，由探放水隊進行鉆探。

2）該礦通風(fēng)科負責(zé)隨時掌握工作面的有害氣體涌出情況，按《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，及時制定通風(fēng)措施，并安排1名瓦檢員跟班作業(yè)。

3）該礦開掘科負責(zé)解決鉆探過程中供電、供水和排水問題，并派1名電工，2名水泵工跟班作業(yè)。

4）該礦運輸科要及時清理南一下組運輸大巷、760東運輸大巷的水溝，并保證暢通。

5）該礦安監(jiān)處派1名安監(jiān)員跟班作業(yè)，負責(zé)監(jiān)督檢查鉆探過程中工作面的安全狀況，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時督促處理。

6）該礦調(diào)度室負責(zé)在工作面設(shè)置電話1部，距探測地點不得超過50m，保證鉆場的通訊聯(lián)系。

2.4 鉆孔施工成果

該礦地質(zhì)測繪中心2014-04-19—08-19在28107工作面運輸巷共施工6個放水鉆孔，其中由于實際情況需要，在設(shè)計基礎(chǔ)上增加了2個鉆孔。各鉆孔具體參數(shù)見表2.

表2 各鉆孔具體參數(shù)表

2.5 封孔

放完水后，關(guān)嚴閥門，并保持閥門靈活可靠，以便隨時觀察水情。

3 成果分析

該放水共計施工6個鉆孔，其中Z1、Z2、Z3鉆孔打通采空區(qū)后無水，Z4鉆孔打通采空區(qū)后出水量約為40m3／h，套管上壓力表顯示出水頭壓力為0.06 MPa，大于0.05MPa，因此，在Z4鉆孔附近增加Z5鉆孔。由Z4鉆孔打通采空區(qū)時的水頭壓力可推算出積水上限標高為875m.截止至2014年6月4日Z4鉆孔流量儀顯示出單孔放水量為2894m3，孔內(nèi)水流量約為3m3／h，為采空區(qū)動態(tài)補給水。掘進至巷道最低點處施工Z6鉆孔，打通采空區(qū)時出水量約為20 m3／h，最終Z6鉆孔單孔放水量為765m3.該次探放28109采空區(qū)積水放水總量Q為3659m3，根據(jù)積水上限標高和8#煤層底板等高線圖推算積水面積S為5321m2，28109工作面煤厚h為4.78m.

根據(jù)公式：k=Q／Sh式中：

k—積水系數(shù)（積水系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)值）；

Q—總放水量，m3；

S—積水面積，m2；

h—煤層厚度，m.

計算得：k=0.14

放水前預(yù)計28109采空區(qū)積水面積為17770 m2，積水量為15992m3，與實際相差較大。分析其原因有：1）采空區(qū)積水面積預(yù)測偏大。28109工作面回采完畢至今約16個月，該區(qū)太原組灰?guī)r含水層富水性較差，實際積水上限標高為875m，未達到882 m，根據(jù)8#煤層底板等高線圖可計算實際積水面積約為預(yù)測積水面積的1／3.2）積水系數(shù)k取值偏大，放水前預(yù)計時k取0.2，經(jīng)實際計算k值為0.14.

4 結(jié) 論

在28107工作面運輸巷共施工6個鉆孔對28109采空區(qū)積水進行了探放，放水總量為3659m3.初步估算，解放16.27萬t壓煤量，創(chuàng)造經(jīng)濟利潤約8137萬元。

通過對28109采空區(qū)實際放水量與預(yù)計積水量進行對比分析，計算出積水系數(shù)k值為0.14，再結(jié)合該礦原來經(jīng)驗積累的k值0.20，總結(jié)得出該礦南一下組采區(qū)8#煤采空區(qū)積水系數(shù)取值在0.14～0.20.應(yīng)用此值提高了預(yù)測礦井采空區(qū)積水量的準確性，對該礦具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

［1］ 王秀蘭，劉忠喜.礦山水文地質(zhì)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：9.

［2］ 柴登榜，龍榮生，王定武，等.礦井地質(zhì)工作手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1986：12.

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011：89-90.