沿空掘巷快速探放水工藝及應(yīng)用

安新龍，孫興磊，位書(shū)鑫

（鄭宏恒泰煤業(yè)（新密）煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 452376）

我國(guó)煤礦部分礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水害類(lèi)型較多，其中沿空掘巷時(shí)采空區(qū)突水的危害時(shí)常遇到[1]，采空區(qū)突水具有在短時(shí)間內(nèi)來(lái)勢(shì)兇猛、破壞極強(qiáng)等特點(diǎn)，極大的威脅了沿空快速掘巷的安全[2-3]。鄭宏恒泰(新密)煤業(yè)有限公司12150 運(yùn)輸巷為沿空掘巷，受到相鄰12190 采空區(qū)積水的嚴(yán)重危險(xiǎn)，如何快速、高效探放采空區(qū)積水成為影響工作面掘進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 礦井概況

鄭宏恒泰（新密）煤業(yè)有限公司位于新密市東部，年生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t，采用走向長(zhǎng)壁式炮采放頂煤采煤工藝，主采山西組二1 煤，煤厚7.3～17.5m，平均12 m，傾角為10°～15°。煤層直接頂為黑色及深灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚5.7 m，基本頂為中粒砂巖，層厚10～27m，平均厚13.5 m，底板為黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖。礦井正常涌水量為165 m3/h，礦區(qū)內(nèi)對(duì)二1 煤層采掘有影響的充水含水層分別有：中奧陶統(tǒng)馬家溝組白云質(zhì)灰?guī)r巖溶含水層、石炭統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、二1 煤層頂板砂巖裂隙含水層。

12190 工作面為首采工作面，2011 年4 月回采結(jié)束，12150 工作面與12190 工作面相鄰，根據(jù)接替需要現(xiàn)布置12150 工作面，12150 運(yùn)輸巷采用無(wú)煤柱護(hù)巷，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為630 m，采用U 型鋼半圓拱支護(hù)，斷面11.5 m2。

2 12190 采空區(qū)水量的預(yù)算及水源分析

2.1 積水量與充水速度分析

12150 運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，執(zhí)行“物探先行，鉆探驗(yàn)證”防治水原則。采用直流電法進(jìn)行超前探測(cè)[4]，超前探測(cè)距離為70 m，如無(wú)發(fā)現(xiàn)異常情況正常掘進(jìn)，預(yù)留20 m 的超前距進(jìn)行第二次超前探測(cè)，如探測(cè)到低阻異常，將設(shè)計(jì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。掘進(jìn)至第450m 時(shí)直流電法超前探測(cè)結(jié)果顯示：迎頭前30m 處為低阻異常區(qū)，疑似積水區(qū)域。綜合分析認(rèn)為：12190 采空區(qū)積水標(biāo)高一定低于-208.3m，理由為12190 運(yùn)輸巷巷口頂板標(biāo)高為-206m，底板標(biāo)高-208.3m，如果積水高于這個(gè)標(biāo)高，將從12190 運(yùn)輸巷巷口流出。也就是說(shuō)12150 運(yùn)輸巷掘進(jìn)標(biāo)高達(dá)到-208.3m 才有可能遭遇12190 老空水的威脅。通過(guò)設(shè)計(jì)鉆孔進(jìn)行打鉆驗(yàn)證，物探探測(cè)結(jié)果和理論分析一致，進(jìn)一步確定了積水區(qū)域，同時(shí)也確定了積水標(biāo)高為-216m。結(jié)合12190 工作面煤層底板等高線(xiàn)圖劃定了積水區(qū)范圍（如圖1），通過(guò)測(cè)量計(jì)算積水區(qū)面積為16 997m2，根據(jù)《煤礦總工程師技術(shù)手冊(cè)》提供的老空水計(jì)算公式對(duì)積水量進(jìn)行了計(jì)算，公式為：

式中：Q為采空區(qū)積水量，m3；K為計(jì)算系數(shù)，取0.25；M為煤厚,這里取12m；F為采空區(qū)投影面積，取16997 m2；α 為煤層傾角，取12°。

圖1 12190 采空區(qū)積水示意圖

經(jīng)計(jì)算12190 采空區(qū)的積水量為52 130m3，從12190 工作面初采至12150 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至第480 m，時(shí)間37 個(gè)月，可計(jì)算充水速度為1.95m3/h。根據(jù)12190 上副巷-216～-237m 的底板等高線(xiàn)將采空區(qū)16 997m2的積水面積劃分成二塊區(qū)域，第一塊危險(xiǎn)區(qū)域積水面積12207m2，積水量約37 439m3，此區(qū)域積水水位高于待掘的12150 運(yùn)輸巷終點(diǎn)標(biāo)高，對(duì)掘進(jìn)有影響或威脅。第二塊無(wú)危險(xiǎn)區(qū)域積水面積為4 790m2，標(biāo)高低于12150 運(yùn)輸巷終點(diǎn)的最低標(biāo)高，給12150 運(yùn)輸巷掘進(jìn)造不成影響或威脅。

2.2 充水水源分析

12190 工作面采用放頂煤采煤工藝，全部垮落法控制頂板，在回采過(guò)程中對(duì)煤層上覆巖層有很大破壞性[5]，采空區(qū)上覆巖層破壞可形成三帶：冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶，其中冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：H為冒落帶高度，m；H1為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為煤厚，m。

將M煤層全厚12m 代入公式，可得H=15.9m,H=52.6m，兩帶發(fā)育高度為68.5m。根據(jù)12190 工作面附近的18-3 鉆孔柱狀資料，可知冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶垂向上發(fā)育高度所波及的范圍內(nèi)有大占砂巖（厚度10m）、香炭砂巖（厚度7m）和砂鍋窯砂巖（厚度18.5m）3 個(gè)砂巖裂隙含水層。由此可知：12190 采空區(qū)積水很可能是采面回采后，在采空區(qū)上方形成68.5m的導(dǎo)水裂隙帶波及導(dǎo)通大占砂巖、香炭砂巖和砂鍋窯砂巖裂隙含水層，形成了大量的采空區(qū)積水。

3 采空區(qū)積水疏放設(shè)計(jì)

確定12190 采空區(qū)積水的水源、充水速度和積水位置后，結(jié)合本礦實(shí)際情況，采用小巷疏放和鉆孔疏放相結(jié)合的方法進(jìn)行疏放水工作。疏放巷和檢驗(yàn)鉆孔進(jìn)行相互驗(yàn)證，確認(rèn)安全后巷道再向前掘進(jìn)，掘進(jìn)的巷道標(biāo)高降低2m 時(shí)停止掘進(jìn)進(jìn)行第2 次疏放水工作，疏放水工作和掘進(jìn)工作交替進(jìn)行直至12150 運(yùn)輸巷掘進(jìn)完成。

1）放水小巷工藝參數(shù)選擇。12150 運(yùn)輸巷在后150m 中，高差21m，為使放水小巷達(dá)到最大疏放性，放水小巷和12150 運(yùn)輸巷呈80。夾角在下幫開(kāi)門(mén)，用工字鋼開(kāi)口，規(guī)格：上寬2.2m，下寬3.2m，凈高1.8m。見(jiàn)大塊矸石后改為坑木支護(hù)。工作面回采結(jié)束后,損失掉的粉狀煤、泥巖遇水軟化物及頂板砂質(zhì)泥巖巖石碎塊，將采空區(qū)下部的空隙充填密實(shí)，與已存在于采空區(qū)底部的頂板巖石碎塊形成了一個(gè)“再沉積層”，起到了一定的隔水作用。厚煤層采煤工作面按10%的煤炭損失率，12m 的煤厚將形成1.2m 厚度的“再沉積層”，再加上放水位置剛好位于12190 工作面的上端頭處，這里將預(yù)留一定的傘檐煤，損失率將增加，“再沉積層”厚度相應(yīng)增大。在周?chē)h(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下，“再沉積層”也相對(duì)較為穩(wěn)定。當(dāng)掘進(jìn)疏水小巷時(shí)，“再沉積層”被逐步揭穿，初始水量不會(huì)很大，隨著疏水小巷的掘進(jìn)完成，水量才會(huì)逐漸增大，這時(shí)可利用12150 運(yùn)輸巷的掘進(jìn)窩頭做為臨時(shí)排水陣地進(jìn)行排水。待出水量降至10m3/h 以下時(shí)，再用事先準(zhǔn)備好的裝煤袋把放水小巷圈起來(lái)，在里邊挖一泵窩，形成新的臨時(shí)排水陣地，不影響巷道繼續(xù)向前方掘進(jìn)。

圖2 疏水小巷、鉆孔布置平面示意圖

2）疏放鉆孔參數(shù)的選擇。疏放鉆孔又稱(chēng)“疏放水加速器”，為提高疏放速度，同時(shí)又預(yù)防流水通道阻塞，需在小巷內(nèi)施工鉆孔進(jìn)行疏放催化。疏放鉆孔布置時(shí)呈半扇形布置（見(jiàn)圖2），1#孔方位138°，傾角+5°；2#孔方位118°，傾角+3°；3#孔方位98°，傾角+1°，深度均是20 m，終孔位置均可以打穿“再沉積層”。按孔號(hào)依次進(jìn)行施工，3 個(gè)鉆孔全部施工在放水小巷內(nèi)，出水可以很方便的排出工作面。3 個(gè)疏水鉆孔施工過(guò)后等放水量衰減到10m3/h 以下時(shí)，再施工一檢驗(yàn)鉆孔，方位118°，傾角+5°。當(dāng)鉆孔達(dá)到20m 不見(jiàn)有出水、鉆桿不返水，且后面鄰近的放水小巷流水干枯，說(shuō)明積水已得到充分疏放，即可認(rèn)定積水高度降到安全位置。

4 疏水效果檢驗(yàn)

12150 運(yùn)輸巷在掘進(jìn)最后150m 中，掘進(jìn)和疏放采空區(qū)積水歷時(shí)67d，共施工8 個(gè)放水小巷，進(jìn)行了8次疏放，排放采空區(qū)積水量31 713m3（見(jiàn)表1），掘進(jìn)過(guò)程中沒(méi)出現(xiàn)過(guò)淹設(shè)備和傷人事故，達(dá)到了12150 運(yùn)輸巷的安全快速掘進(jìn)目的。

表1 排放采空區(qū)積水量

5 結(jié) 語(yǔ)

12190 老空積水嚴(yán)重影響12150 運(yùn)輸巷的掘進(jìn)作業(yè)安全，通過(guò)采取小巷疏放和鉆孔檢驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)措施，效果良好，逐步消除了水害威脅，達(dá)到了安全快速掘進(jìn)的目的。