礦井水害防治技術的改進方案與應用研究

尉海潮

(同煤集團燕子山礦，山西 大同 037000)

引 言

目前，礦井水害問題越發(fā)突出，其中采空區(qū)積水事故約占礦井水害事故的75%左右[1]，究其原因是沒有嚴格按照探放水的要求進行積水排放，在有積水征兆的情況下仍然進行開采作業(yè)，因此，要預防礦井水害事故，就要將工作重點放在采空區(qū)探放水工作上，對煤層掘進過程中探放水方案及工藝進行改進優(yōu)化。

1 充水因素分析

1.1 頂板裂隙水

某煤礦屬可開采煤層中有裂隙帶含水層，含水層水位標高為1 064.81 m，涌水量為2.633 L/s，煤層滲透系數為0.218 m/d，含水性較弱。

1.2 底板奧灰水

煤礦的奧灰水水位標高為1 062 m，且與開采煤層的隔水層厚度為108 m，水壓為3.6 MPa，突水系數為0.03 MPa/m，在正常的開采情況下不會對煤層產生影響，但通過鉆孔、導水斷層等會對開采煤層進行補給，是間接充水水源。

1.3 采空區(qū)積水

工作面上覆有采空區(qū)，采空區(qū)的積水量約26 000 m3，積水面積約455 969 m2，容易引發(fā)水害事故[2]，對開采造成嚴重影響。

因此，開采掘進的主要充水因素是工作面上覆的采空區(qū)積水，積水也會通過裂隙帶與含水層導通，形成導水通道，影響礦井的安全生產。

2 原探放水方案

2.1 探放水鉆孔布置

設計探放水鉆孔時，要考慮超前距、鉆孔間距、兩幫距離、允許最大掘進距離，原探放水方案的參數為超前距30 m，兩幫距離30 m，允許最大掘進距離70 m，由于要探測采空區(qū)積水，鉆孔間距設為3 m進行布孔[3]。

2.2 采空區(qū)超前探工程布置

在進行布孔時，由于終孔的垂距要小于1.5 m，將第一次的鉆孔均向上調節(jié)0.6°，第二次的鉆孔均向上調節(jié)0.3°，第三次的鉆孔均向上調節(jié)0.9°，以確保終孔時的垂距，探放水孔均是煤層孔，在順槽第一次共布置9個鉆孔，傾角為0.6°，鉆孔深度為200 m，各方位角情況如表1所示。

表1 第一次探放水鉆孔方位角

3 改進后探放水方案設計

3.1 探放水設計原則

1) 施工隊在進行探放水時要考慮實際積水區(qū)域的范圍，注意觀察煤柱的涌水情況，及時對涌水進行疏放。

2) 探放水孔的孔徑為75 mm，驗證孔的開孔孔徑為75 mm，止水套管的長度為4 m，直徑為4寸，鉆進7 m后將鉆桿取出，如果鉆孔處有水流出，在水量變小穩(wěn)定后將止水套管放入孔內，采用水泥將止水套管封固[4]。

3) 根據鉆孔的實際出水情況來布置觀察孔，觀察孔不進行封孔，其余的鉆孔在放完水后直接進行封孔，確?？卓诙滤?，如果探測孔沒有出水，也要及時進行封堵。

4) 在掘進的過程中，如果煤壁上出現少量滲水或潮濕等現象時，每向前掘進10 m，要在離底板3.2 m處施工驗證孔，在低處留設觀察孔，準備止水套管和閥門，有水流出則立即進行排放，排空后要及時封孔，在水位低于底板的標高時再向前掘進。

3.2 探放水改進方案

為了實現安全開采，采用物探和鉆探相結合的方法進行超前探放水，物探超前探測使用的是防爆數字直流電法儀，一般勘探距離設為80 m，在循環(huán)探測時，相鄰兩個探測的要疊加20 m。鉆探時沿順槽的掘進方向，三個鉆孔呈扇形布置，對每個孔依次進行鉆探驗證，探放水孔的布置圖如圖1所示，鉆孔方向與巷道走向夾角為40°～50°，開口離底板的距離為1.5 m，鉆孔角度與煤層傾角相同均為0.6°，鉆探掘進距離100 m，允許最大掘進距離為70 m，提高安全性，三個鉆孔的方位角依次為67.7°、79.7°、91.7°，在確保水壓低于15 MPa時再向前掘進。

圖1 改進鉆孔布置圖

3.3 探放水工藝改進

1) 預先挖好水泵窩，設置好排水系統(tǒng)，將水泵窩挖在巷道的最低處，便于后續(xù)的集中排水，配備2臺水泵，一臺工作一臺備用，工作水泵與排水管連接，將水排到運輸膠帶處。

2) 鉆孔時采用直徑為43 mm的鉆頭，最終成孔時采用直徑為50 mm的鉆頭，鉆進1.5 m后，先將控水管和控水閥門一同打入鉆孔中，再將鉆桿插入控水管繼續(xù)進行鉆孔，在成孔后拔出鉆桿，同時裝上引水管，有效避免由于水壓過大而出現鉆桿不易拔出、或是鉆桿拔出后放水控制器不能及時打入鉆孔中的現象，減少了因煤壁塌陷而出現的水害事故，提高了探放水的安全性。

3) 成孔后將引水管引入水泵窩中，通過水泵窩進行集中排水，同時控制放水量，提高放水的效率。

4) 在超出探水線20 m后，打開排放水控制器，在掘進過程中進行排水。

5) 在積水排干凈后，將控制器拔出，并對放水孔進行封孔。

4 改進前后對比分析

對探放水設計方案及工藝改進前后進行對比，主要從鉆孔數量、鉆孔掘進尺、鉆孔工期以及相關費用進行比較，具體參數如表2所示。

表2 改進前后參數對比表

從表2中可以看出，原探放水工程所需的鉆孔數量比改進的鉆孔數量多，在相同的掘進尺下，原探放水工程所需的工期和相關費用也較多，改進后的探放水工程針對性更強，安全性更高。

對改進的探放水工程在某煤礦中進行應用，先對工作面進行直流電法超前探測，在回風順槽出現低電阻異常區(qū)域，按照改進方案布置3個鉆孔，在1 122 m探測到有采空區(qū)，放出積水約450 m3，說明探測結果比較準確，而且改進方案所需的工期和相關費用都較低，實用性較強，能實現安全開采。

5 結論

針對煤層開采過程中出現的水害事故，以某煤礦工作面探放水為例。

1) 分析煤層充水因素，確定主要是由于采空區(qū)積水而產生的水害。

2) 采用物探和鉆探相結合的方法進行探放水方案設計，先對工作面進行直流電法超前探測，在回風順槽出現低電阻異常區(qū)域，按照改進方案布置3個鉆孔，在1 122 m探測到有采空區(qū)，放出積水約450 m3。

3) 改進后的探放水工程所需的鉆孔數量、工期與相關費用都較低，且針對性更強，安全性更高，能有效探放采空區(qū)的積水。