關(guān)閉煤礦高位采空積水綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用
——以小溪溝煤礦為例

王東升，吳 強(qiáng)，楊百順，靳 曉，凌志遷，何君菡

(1.重大危險(xiǎn)源測控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川省成都市，610045；2.四川省安科技術(shù)咨詢有限公司，四川省成都市，610045；3.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川省成都市，610045)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷推進(jìn)和能源結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，很多開采規(guī)模小、采礦地質(zhì)條件差、開采技術(shù)落后的煤礦企業(yè)關(guān)閉退出市場。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年四川省超過1 000個(gè)煤礦關(guān)閉[1]，煤礦關(guān)閉后停止了抽排水，井下巷道及采空區(qū)遺留大量積水。由于以前的小煤礦存在超層越界、無序開采、技術(shù)資料不清等情況，關(guān)閉后煤礦井下大量積水對(duì)相鄰保留煤礦構(gòu)成水害威脅[2-3]。

我國在煤礦采空區(qū)水探查、治理等方面開展了許多研究并取得了不少成功經(jīng)驗(yàn)[4-11]，形成了相對(duì)完善的采空區(qū)水防治“查全、探清、放凈、驗(yàn)準(zhǔn)”四步工作法。針對(duì)礦井技術(shù)資料不準(zhǔn)的情況，查清采空區(qū)積水情況并結(jié)合礦井實(shí)際情況采取恰當(dāng)?shù)乃χ卫砑夹g(shù)方案是采空區(qū)水治理成功的關(guān)鍵。

小溪溝煤礦東翼煤炭資源受相鄰關(guān)閉的葡萄石煤礦(西井)高位采空積水威脅，而葡萄石煤礦(西井)技術(shù)資料不準(zhǔn)，因此，查清葡萄石煤礦(西井)老空積水范圍、積水標(biāo)高、積水量等情況，再結(jié)合礦井開拓部署情況制定治災(zāi)工程技術(shù)方案，疏放葡萄石煤礦(西井)采空區(qū)積水，對(duì)小溪溝煤礦東翼煤炭資源安全回采具有重要意義。

1 工程概況

小溪溝煤礦位于四川省旺蒼縣小溪溝井田，主要含煤地層為三疊系上統(tǒng)須家河組第五段(T3xj5)，一般含煤5層，自上而下分別為5、9、10、11、12號(hào)煤層，煤層間距依次為53.0、28.0、1.4、26.0 m，各煤層頂板為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。小溪溝煤礦開采標(biāo)高+550～+235 m的5、9號(hào)煤層。葡萄石煤礦(西井)與小溪溝煤礦緊鄰，位于小溪溝煤礦東翼淺部，開采標(biāo)高+550～+424 m的5、9、10、11、12號(hào)煤層，兩礦礦區(qū)范圍不重疊。

葡萄石煤礦(西井)采用平硐+暗斜井開拓，主平硐井口標(biāo)高為+481 m，該礦因煤炭資源枯竭于2014年6月關(guān)閉。目前，小溪溝煤礦地測人員對(duì)葡萄石煤礦(西井)井下部分巷道進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果顯示葡萄石煤礦(西井)+424 m水平主水倉入口處巷道底板標(biāo)高為+415 m，說明葡萄石煤礦(西井)開采技術(shù)資料不準(zhǔn)，其實(shí)際開采標(biāo)高可能為+550～+415 m。葡萄石煤礦(西井)關(guān)閉后，井下巷道及采空區(qū)遺留了大量積水，其采空積水區(qū)位于小溪溝煤礦東翼煤炭資源高位，嚴(yán)重威脅小溪溝煤礦東翼煤炭資源的安全回采。

2 關(guān)閉煤礦采空積水情況

2.1 葡萄石煤礦(西井)采空積水探測

小溪溝煤礦在實(shí)測葡萄石煤礦(西井)井巷工程時(shí)，由于葡萄石煤礦(西井)已進(jìn)入關(guān)閉程序，其井下大部分巷道已密閉無法進(jìn)入，因此葡萄石煤礦實(shí)際開采下界標(biāo)高不清楚。為了查清葡萄石煤礦(西井)開采下界標(biāo)高并準(zhǔn)確圈定采空積水區(qū)范圍，采用地面瞬變電磁法在葡萄石煤礦(西井)積水區(qū)域?qū)?yīng)地表布置4條測線，共計(jì)180個(gè)觀測點(diǎn)，6個(gè)檢查點(diǎn)，測線布置如圖1所示。

圖1 地面物探測線布置

根據(jù)瞬變電磁法測定的巖層電阻率等值線圖，結(jié)合葡萄石煤礦(西井)采掘工程情況和礦區(qū)地質(zhì)條件，推斷葡萄石煤礦(西井)礦區(qū)范圍內(nèi)存在含水區(qū)14處，節(jié)理裂隙異常16處。對(duì)礦井存在的水患區(qū)分成極易形成水患區(qū)、易形成水患區(qū)、可能形成水患區(qū)、不易形成水患區(qū)4類，其中，極易形成水患區(qū)、易形成水患區(qū)的危險(xiǎn)性很大，推測為采空積水區(qū)。地面物探結(jié)果如圖2所示，青色圈定范圍(YH1、YH2)為推測積水區(qū)域及頂?shù)装鍢?biāo)高，紅色圈定范圍(J1～J5)為推測裂隙異常發(fā)育區(qū)。

圖2 地面物探結(jié)果

由圖2可知，探測水患區(qū)域最低底板標(biāo)高為+416 m，與實(shí)測的葡萄石煤礦(西井)開采下界標(biāo)高+415 m基本一致，因此，可以確定葡萄石煤礦(西井)采空積水區(qū)最低標(biāo)高為+415 m。

2.2 采空積水量估算

根據(jù)葡萄石煤礦(西井)采掘工程平面圖、儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告、閉坑報(bào)告、地面瞬變電磁勘探報(bào)告等資料，分析該礦5、9、11、12號(hào)煤層+415 m標(biāo)高以上已基本采空，10號(hào)煤層+450 m標(biāo)高以上進(jìn)行了部分開采。采用式(1)估算葡萄石煤礦(西井)采空積水量：

(1)

式中：Q積——采空區(qū)總積水量，m3；

Q采——某一層煤的采空區(qū)積水量，m3；

Q巷——巷道積水量，m3；

K——充水系數(shù)，采空區(qū)取0.35，巷道取0.9；

M——煤層厚度，5、9、10、11、12號(hào)煤層分別為1.32、0.60、0.34、0.33、0.65 m；

S——采空積水區(qū)面積，5、9、10、11、12號(hào)煤層分別為61 225、70 950、16 750、46 550、71 050 m2；

α——煤層傾角，取40°；

W——巷道斷面積，取5 m2；

L——積水巷道長度，取3 600 m。

根據(jù)式(1)，可得各煤層采空積水總量為87 100 m3，巷道積水總量為16 200 m3，因此，葡萄石煤礦(西井)采空區(qū)總積水量為10.33萬m3，積水區(qū)下界標(biāo)高為+415 m，上界標(biāo)高為葡萄石煤礦(西井)主平硐井口標(biāo)高+481 m。

3 防隔水煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)

葡萄石煤礦(西井)與小溪溝煤礦的空間關(guān)系如圖3所示，其高位采空積水對(duì)小溪溝煤礦東翼煤炭資源回采構(gòu)成嚴(yán)重水患威脅。

圖3 葡萄石煤礦(西井)高位采空積水與小溪溝煤礦空間關(guān)系

小溪溝煤礦針對(duì)葡萄石煤礦(西井)采空積水情況，采取了留設(shè)防隔水煤柱的方法進(jìn)行水體下采煤。按照礦井原防隔水煤柱設(shè)計(jì)在東翼+300 m水平至葡萄石煤礦(西井)積水下界標(biāo)高+415 m之間留設(shè)防隔水煤柱，但這將造成東翼煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

葡萄石煤礦(西井)采空水補(bǔ)給條件差，根據(jù)小溪溝煤礦采掘?qū)嶋H，研究確定在+370 m區(qū)段施工專用放水巷并采用鉆孔疏放葡萄石煤礦(西井)積水是最佳方案，按此方案重新設(shè)計(jì)防隔水煤柱。

小溪溝煤礦東翼專用放水巷設(shè)計(jì)為異形斷面，尺寸為3 200 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面7.4 m2。因此，東翼專用放水巷與葡萄石煤礦(西井)采空積水區(qū)的最小安全距離為28 m，即小溪溝煤礦東翼留設(shè)28 m煤柱即可滿足安全要求。小溪溝煤礦專用放水巷設(shè)計(jì)標(biāo)高為+370 m，坡度為0.5%，長度1 300 m，專用放水巷掘進(jìn)至礦井東翼邊界時(shí)標(biāo)高為+376.5 m。為了進(jìn)一步確保安全，綜合考慮，將+380 m標(biāo)高以上留設(shè)為東翼葡萄石煤礦(西井)采空積水影響區(qū)防隔水煤柱，實(shí)際防隔水煤柱尺寸為54 m。

4 關(guān)閉煤礦積水治理技術(shù)方案

根據(jù)小溪溝煤礦實(shí)際情況，采用在東翼施工專用放水巷并通過鉆孔疏放相鄰關(guān)閉葡萄石煤礦(西井)采空積水的技術(shù)方案，該治水方案包括水閘門、專用放水巷、井下雙探、放水孔、排水系統(tǒng)改造等內(nèi)容。

4.1 水閘門

水閘門位于小溪溝煤礦+370 m專用放水巷，處于巖石堅(jiān)硬、穩(wěn)定、完整致密的巖層中，水閘門形狀為楔形，根據(jù)計(jì)算，墻體長度為2 m，設(shè)計(jì)水壓為1.1 MPa。為防止水閘門因外部壓力、水泡等原因遭受損壞，在水閘門兩端巷道采用C25混凝土整體砌碹加固支護(hù)，厚度500 mm，長度5 m。根據(jù)水閘門選型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合市場情況選用MMB型礦用水閘門，門扇尺寸為2 000 mm×2 400 mm(寬×高)，軌距600 mm，標(biāo)稱壓力1.6 MPa，允許壓力2 MPa。水閘門平面布置如圖4所示。

圖4 水閘門平面布置

4.2 專用放水巷

在+370 m標(biāo)高沿9號(hào)煤層底板往東采取“先探后掘”方法掘進(jìn)至小溪溝煤礦東翼礦井邊界(1號(hào)鉆場處)，然后轉(zhuǎn)向往9號(hào)煤層掘進(jìn)石門，揭穿9號(hào)煤層后沿9號(hào)煤層往東掘進(jìn)至礦井邊界。專用放水巷巖巷段長300 m，煤巷段長1 300 m，均采用異形斷面，坡度為+0.5%，尺寸為3 200 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面7.4 m2。

為解決專用放水巷后期通風(fēng)問題，在+300 m標(biāo)高掘進(jìn)一條進(jìn)風(fēng)巷，滯后專用放水巷200 m，掘進(jìn)至礦井邊界后，沿9號(hào)煤層掘進(jìn)回風(fēng)上山，與專用放水巷貫通。該進(jìn)風(fēng)巷采用異形斷面，坡度為+0.5%，尺寸為3 400 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面8.1 m2。

4.3 井下雙探

專用放水巷掘進(jìn)時(shí)必須“先探后掘”。首先，采用礦用本安型瞬變電磁儀在專用放水巷施工前進(jìn)行超前探測查疑，共布設(shè)20組超前探測點(diǎn)，探測方向?yàn)閷Ｓ梅潘锴胺?、上下及周邊，探測深度為120 m；其次，采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，共設(shè)計(jì)32組探水孔，每組至少3個(gè)孔，終孔位置投影到巷道法線位置超過80 m，允許掘進(jìn)50 m，保留超前安全距30 m。要根據(jù)雙探結(jié)果及時(shí)調(diào)整專用放水巷的施工，確保專用放水巷安全掘進(jìn)，并再次核查葡萄石煤礦(西井)采空積水下邊界，為放水孔施工提供依據(jù)。

4.4 放水孔

在小溪溝煤礦9號(hào)煤層底板巷石門開口處布置1號(hào)鉆場，對(duì)葡萄石煤礦(西井)5、9、11、12號(hào)煤層老空區(qū)分別實(shí)施首次放水，根據(jù)放水鉆孔揭穿老空區(qū)的標(biāo)高，放干此標(biāo)高以上的積水。1號(hào)鉆場距葡萄石煤礦(西井)采空區(qū)邊界160 m，1號(hào)鉆場設(shè)計(jì)6個(gè)放水鉆孔，6個(gè)放水鉆孔的施工順序?yàn)?F1-1孔→5F1-2孔→5F1-3孔→9F-1孔→11F-1孔→12F-1孔，1號(hào)鉆場放水鉆孔布置如圖5所示。在專用放水巷進(jìn)入9號(hào)煤層124 m處布置2號(hào)鉆場，2號(hào)鉆場以東每隔100 m布置1個(gè)鉆場，共計(jì)布置13個(gè)鉆場。排放水鉆孔施工完后要根據(jù)孔內(nèi)出水量大小控制閘閥，排水量控制在100 m3/h左右。

圖5 1號(hào)鉆場鉆孔布置

4.5 排水系統(tǒng)改造

小溪溝煤礦正常涌水量為111 m3/h，原+300 m 水平水泵房配備有3臺(tái)MD155-30×10水泵，水泵額定流量155 m3/h，能滿足礦井正常排水需求，鉆孔放水時(shí)礦井正常涌水量將增加100 m3/h，原水泵已不能滿足礦井正常抽排水需求，需要對(duì)原排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，經(jīng)計(jì)算，將+300 m水平2臺(tái)MD155-30×10水泵更換為2臺(tái)MD280-43×7型水泵可滿足排放葡萄石煤礦(西井)積水和礦井正常排水需求。

5 治水效果

小溪溝煤礦通過實(shí)施探放葡萄石煤礦(西井)積水工程，共計(jì)排放葡萄石煤礦(西井)采空積水約9.86萬m3，經(jīng)物探及鉆探驗(yàn)證，成功疏干了葡萄石煤礦(西井)采空積水，解放了小溪溝煤礦東翼63.36萬t積水影響區(qū)煤炭資源，治災(zāi)工程總費(fèi)用為493萬元，治災(zāi)工程成本僅7.8元/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié)論

(1)采用地面瞬變電磁法對(duì)關(guān)閉的葡萄石煤礦(西井)積水情況進(jìn)行核查，查清了關(guān)閉煤礦采空積水范圍、積水標(biāo)高、積水量等，為探放關(guān)閉煤礦積水時(shí)放水巷和放水鉆孔布置提供依據(jù)。

(2)根據(jù)探放水技術(shù)方案，對(duì)關(guān)閉的葡萄石煤礦(西井)積水影響區(qū)防隔水煤柱尺寸進(jìn)行計(jì)算，得出防隔水煤柱最小28 m即可滿足要求，根據(jù)礦井采掘部署現(xiàn)狀，將+380 m標(biāo)高以上留設(shè)為防隔水煤柱，實(shí)際防隔水煤柱寬度為54 m，進(jìn)一步確保了探放水工程施工安全。

(3)小溪溝煤礦通過實(shí)施治水工程，成功疏干了相鄰關(guān)閉煤礦高位采空積水，消除了開采東翼煤炭資源時(shí)的安全隱患，治災(zāi)成本僅為7.8元/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。