蒙陜礦區(qū)大儲量采空區(qū)水害綜合防治技術創(chuàng)新與實踐

王小勇

(烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017307)

納林河二號礦井31120工作面回風巷是該礦第1個留小煤柱沿空掘進的工作面，鑒于該礦水文地質(zhì)條件復雜、31121工作面回采結(jié)束后采空區(qū)內(nèi)形成大小不一的積水區(qū)和31120工作面回風巷留小煤柱沿31121采空掘進的實際情況，導致31121采空區(qū)積水威脅到了31120工作面回風巷的掘進安全。采空區(qū)突水具有時間短、水量大、破壞性強等特點[1]，因此，有效進行采空區(qū)水害防治將為礦井的采掘安全提供重要技術支撐。為更科學地防治采空區(qū)積水水害，國內(nèi)外專家進行了大量的研究工作，孫宗東、楊朝維、田坤等人[1-20]提出通過施工鉆孔(短距離鉆孔、長距離鉆孔、定向鉆孔、泄水巷鉆孔)進行限壓循環(huán)放水技術來保障掘進安全。目前，針對納林河二號礦井的留小煤柱沿空掘進采空區(qū)水害有效防治技術還未形成，因此，本次實踐研究針對納林河二號礦井留小煤柱沿空掘進存在的采空區(qū)水害問題，利用泄水巷布置鉆孔、輔回撤通道密閉墻導水管、工作面回風巷硐室密閉墻導水管、回風巷布置鉆孔等方法，探索出一套新的采空區(qū)水害綜合防治技術，對于預防本礦井及其相似礦井水害事故和保障安全生產(chǎn)有重要意義。

1 工作面及采空區(qū)概況

1.1 工作面概況

納林河二號礦井31121工作面位于首采區(qū)北翼西部邊界附近，南臨中央二號輔助運輸大巷，北臨納林河保護煤柱，西臨G7-8天然氣保護煤柱。工作面長2 628 m，寬300 m，面積788 400 m2。工作面內(nèi)存在寬泛的褶曲和落差0.3～2.0 m的正斷層，所回采的3-1號煤層傾角0°～3°，煤厚6.4 m。31121回風巷及運輸巷均沿3-1號煤層底板掘進，31121工作面沿3-1號煤層底板回采，回采方位191°，已回采完畢。

1.2 采空區(qū)起伏情況

根據(jù)31121工作面兩巷道實測剖面可知：31121工作面采空區(qū)底板整體由開切眼向回撤通道逐漸降低，運輸巷底板標高整體高于回風巷，運輸巷底板標高大約543～549 m；回風巷底板標高大約541～549 m；運輸巷底板最低點為543 m，最低點距離主回撤通道1 270 m；回風巷底板最低點541 m，最低點距離主回撤通道930 m，31121采空區(qū)對比示意如圖1所示。

圖1 31121采空區(qū)對比示意圖

2 31121工作面水文地質(zhì)條件

2.1 導水通道、充水水源及強度

導水裂縫帶(預測高度為3-1號煤層頂板以上120 m)、地層孔隙和裂隙、構(gòu)造斷裂、封閉不良鉆孔等為31121采空區(qū)的主要充水通道。位于導水裂縫帶發(fā)育范圍以外的安定組、白堊系和第四系含水層是31121采空區(qū)的間接充水含水層。位于導水裂縫帶發(fā)育范圍以內(nèi)的延安組和直羅組含水層是31121采空區(qū)的直接充水含水層。延安組含水層具體為延安組3-1號煤層頂板砂巖含水層，厚度0～25.8 m，位于3-1號煤層頂板以上1.31～21.08 m，巖性以灰色、灰白色細砂巖為主。延安組2-1號煤層頂板砂巖含水層，厚度0～53.49 m，位于3-1號煤層頂板以上21.08～72.74 m，巖性深灰色、灰色細砂巖為主。直羅組含水層具體為直羅組底部砂巖含水層，厚度10.68～17.10 m，位于3-1號煤層頂板以上81.98～120.87 m，巖性以灰色、淺灰綠色細砂巖為主。直羅組含水層富水性遠遠高于延安組含水層。

2.2 采取的主要防治水措施

采取的主要措施有地質(zhì)及水文地質(zhì)綜合補充勘探、預計和實測3-1號煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育高度、探測和疏放采掘工作面3-1號煤層頂板孔隙裂隙含水層水、探查采掘工作面內(nèi)構(gòu)造斷裂發(fā)育情況、對地面封閉不良鉆孔進行了全孔啟封注漿，在井上下建立洛河組、直羅組及延安組地下水位監(jiān)測系統(tǒng)，建立滿足礦井需要的主要、輔助及應急排水系統(tǒng)等。

2.3 補給、徑流及排泄

31121采空區(qū)主要受直接充水含水層的直接補給，受間接含水層的越流補給，但越流補給量有限。直接充水含水層天然徑流方向主要由北向南。在31121工作面附近主要從周圍向采空區(qū)徑流。排泄方式主要通過回采后形成的導水裂隙向采空區(qū)進行自然排泄，由采空區(qū)經(jīng)礦井排水系統(tǒng)排泄至地面。

2.4 “三線”確定

積水線主要位于31121運輸巷6號和14號調(diào)車硐室處、31121回風巷等。根據(jù)《煤礦防治水細則》及礦井實際情況探水線由積水線平行外推30 m，警戒線由探水線平行外推30 m。嚴格控制“三線”位置，合理布置放水鉆孔[4]。

3 31121采空區(qū)水害綜合防治技術

3.1 分區(qū)管理、預測預報

根據(jù)31121回風巷及運輸巷實測剖面按整體疏放與局部疏放對影響31120工作面回風巷掘進的31121采空區(qū)積水進行分區(qū)管理。其中整體疏放積水區(qū)主要分布在31121回風巷三角區(qū)，劃分為一、二號整體疏放積水區(qū)。局部疏放積水區(qū)主要分布在31121運輸巷采空三角區(qū)，劃分為1、2、3號局部疏放積水區(qū)(見圖1)，分區(qū)管理達到了分級防治的目的。

31121采空區(qū)存有一定量積水，且具有動態(tài)補給的特點[2]。基于采空區(qū)積水分區(qū)，對各積水區(qū)水量分別進行計算。計算采用式(1)進行計算，由于實際積水空間形態(tài)與公式假設形態(tài)存在一定差別，應根據(jù)積水區(qū)底板起伏對計算積水量進行修正，根據(jù)經(jīng)驗，底板起伏較大的積水區(qū)計算積水量與實際積水量差別大，一般取修正系數(shù)0.5，底板起伏較小的積水區(qū)計算積水量與實際積水量差別較小，一般取修正系數(shù)0.8。因煤層角度0°～3°，所以本次計算忽略煤層角度影響。

Q=FMK

(1)

式中：Q——采空區(qū)積水量，m3；

K——采空區(qū)充水系數(shù)，一般取0.25～0.50，本文取0.30；

M——積水高度，31121工作面積水高度取5 m；

F——積水區(qū)水平投影面積，m2。

把相關參數(shù)代入式(1)，根據(jù)實際情況取0.5的修正系數(shù)，修正之后積水量總計47.89萬m3，31121采空區(qū)積水儲量較大,積水量計算見表1。

3.2 多點疏放、低位布孔、持續(xù)暢通

由于31121采空區(qū)底板整體西南低、東北高，所以整體疏放點位于31121回風巷中部一號整體疏放積水區(qū)和31121輔回撤通道西部二號整體疏放積水區(qū)。由于31120回風巷沿31121采空區(qū)掘進，其間留設了6 m的小煤柱，所以局部疏放點位于31120回風巷中部低洼點，即6號至14號調(diào)車硐室范圍的1、2、3號局部疏放積水區(qū)，見圖1。通過多點、低位和持續(xù)疏放保證了疏放效果。

表1 31121采空區(qū)積水量計算

3.2.1 施工泄水巷并布置鉆孔疏放

31121回風巷中部一號整體疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知該區(qū)底板標高最低541 m，該區(qū)施工了泄水巷，泄水巷掘進工作面底板低于31121采空區(qū)底板1 m，泄水巷掘進工作面距離31121采空區(qū)25 m，在泄水巷設置了最大能力為900 m3/h的排水系統(tǒng)。在泄水巷掘進工作面施工了8個放水鉆孔，開孔與31121采空區(qū)底板平行，終孔高于31121采空區(qū)底板0.5 m，鉆孔呈扇形布置，終孔孔徑110 mm，護壁管直徑89 mm，終孔進入采空區(qū)3 m，總工程量263 m，終孔總水量610.6 m3/h，終孔水壓0.06 MPa，初始水位標高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量170 m3/h，穩(wěn)定水壓0.03 MPa，穩(wěn)定水位標高543 m。泄水巷掘進工作面放水鉆孔參數(shù)見表2，31121采空區(qū)積水放水參數(shù)見表3，泄水巷掘進工作面放水鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 泄水巷掘進工作面放水鉆孔參數(shù)

表3 31121采空區(qū)積水放水參數(shù)

圖2 泄水巷掘進工作面放水鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2.2 利用31121輔回撤通道密閉墻導水管疏放

31121輔回撤通道西部二號整體疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知該區(qū)底板標高最低543 m，該區(qū)密閉墻預留了3個直徑273 mm的導水管，導水管高于31121采空區(qū)底板0.2 m。初始水量203.6 m3/h，初始水壓0.028 MPa，初始水位標高為546 m。2020年4月26日開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量60 m3/h，穩(wěn)定水壓0.001 MPa，穩(wěn)定水位標高543.3 m，見表3。

3.2.3 利用31121回風巷硐室密閉墻導水管疏放

31121回風巷6號至14號調(diào)車硐室范圍1、2、3局部疏放積水區(qū)，根據(jù)剖面可知底板標高最低543 m，6號至14號調(diào)車硐室密閉墻均預留了2個直徑為159 mm的導水管，導水管高于31120采空區(qū)底板0.2 m，初始總水量270 m3/h，初始水壓0.018 MPa，初始水位標高為545 m。2020年5月10日開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定總水量36 m3/h，穩(wěn)定水壓0.001 MPa，穩(wěn)定水位標高543.3 m，見表3。

3.2.4 利用31120回風巷布置鉆孔疏放

通過現(xiàn)場跟班指導[5]，在31120回風巷6號至14號調(diào)車硐室范圍內(nèi)1、2、3局部疏放積水區(qū)，在煤機后煤柱內(nèi)循環(huán)施工了7個放水鉆孔，鉆孔高于31121采空區(qū)底板0.5 m，終孔孔徑89 mm，護壁管直徑74 mm，終孔進入采空區(qū)1 m。總工程量49 m，終孔總水量500 m3/h，終孔水壓0.015 MPa，初始水位標高為545 m。2020年5月14日開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水量0 m3/h，穩(wěn)定水壓0 MPa，穩(wěn)定水位標高543.5 m。31120回風巷放水鉆孔參數(shù)見表4，31120回風巷放水鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3 先整體后局部

整體疏放即對采空區(qū)整體積水進行疏放以便使局部積水能盡快疏放，整體疏放于2020年4月26日通過31121輔回撤通道密閉墻預留的3個直徑為273 mm的導水管和泄水巷施工的8個終孔直徑110 mm的疏放水鉆孔開始疏放，5月22日趨于穩(wěn)定并達到疏放標準。局部疏放是整體疏放后對采空區(qū)局部低洼處的積水進行疏放，局部疏放于2020年5月10日通過31121回風巷9個調(diào)車硐室密閉墻預留的18個直徑159 mm的導水管和在31120回風巷6 m小煤柱上循環(huán)施工的7個終孔直徑89 mm的疏放水鉆孔開始疏放，6月5日趨于穩(wěn)定并達到疏放標準，共疏放31121采空區(qū)積水32.3萬m3。

表4 31120回風巷放水鉆孔參數(shù)

圖3 31120回風巷放水鉆孔結(jié)構(gòu)

3.4 先觀測后分析

根據(jù)實際情況選用量程合適的壓力表、管道流量計、計量桶、透明導水管等，定期觀測水量和水位高度，分析動態(tài)補給量與疏放量的關系，利用疏放點的底板標高和水位高度推算水位標高，分析整體疏放積水區(qū)和局部疏放積水區(qū)之間的聯(lián)系，判斷整體疏放積水區(qū)和局部疏放積水區(qū)疏放是否達到標準，判斷是否需增加疏放點及疏放水鉆孔。

一、二號整體疏放積水區(qū)均于2020年5月22日趨于穩(wěn)定并達標，水位由546 m疏放至543 m。1、2、3號局部疏放積水區(qū)均于2020年6月5日趨于穩(wěn)定，水位由545.0 m降至543.5 m(見表3)。說明一、二號整體疏放積水區(qū)之間有一定聯(lián)系，1、2、3號局部疏放積水區(qū)之間有一定聯(lián)系，整體積水疏放后局部疏放積水區(qū)與整體疏放積水區(qū)之間聯(lián)系較小，各積水區(qū)補給量與排泄量達到平衡。31121采空區(qū)靜儲量已疏放徹底，放水量全部變?yōu)閯討B(tài)補給量。說明整體水位已降至局部水位以下，局部水位已降至1 m以下，達到疏放標準，不需再增加放水點及放水鉆孔。

3.5 先疏放后掘進

整體積水疏放目標為整體水位546 m降至局部水位545 m以下。局部積水疏放目標為局部水位545 m降至544 m以下。整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下后31120回風巷方可進行掘進。由于31120回風巷沿3-1號煤層底板掘進，3-1號煤層以寬泛的褶皺分布，所以根據(jù)31121回風巷實測剖面當31120回風巷掘進至一定距離后掘進工作面局部水位達到1 m以上時停止掘進，在31120回風巷煤機后煤柱內(nèi)施工放水孔放水，同時觀測水量水位，水位再降至1 m以下后31120回風巷再開始進行掘進，這樣限壓(水壓小于0.01 MPa)循環(huán)放水循環(huán)掘進，確保31120回風巷掘進不受水害威脅。目前，31120回風巷已安全順利貫通。

4 結(jié)語

31121采空區(qū)積水具有靜態(tài)儲量大、動態(tài)補給量大、底板整體平緩局部起伏較大的特點。整體積水疏放后局部循環(huán)放水時間大幅縮短，局部循環(huán)放水雖然對31120回風巷掘進進度有一定影響，但在保證安全的情況下必不可少，局部循環(huán)放水可以驗證[3]整體放水效果，但需要巷道剖面及巷道內(nèi)硐室位置的精準實測?？傊敬问璺潘_到了整體水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下的疏放標準，31121采空區(qū)靜儲量水已疏放徹底，放水量全部變?yōu)閯討B(tài)補給量，目前31120回風巷已安全順利貫通。

本次研究實踐的成功在于充分利用了輔回撤通道密閉墻導水管、工作面回風巷硐室密閉墻導水管，并總結(jié)出了分區(qū)管理、預測預報、多點疏放、低位布孔、持續(xù)暢通、先整體后局部、先觀測后分析、先疏放后掘進的采空區(qū)水害綜合防治技術。