億欣煤業(yè)老空區(qū)積水探放實踐與應用

尚建凱

(山西晉煤集團晉圣億欣煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048006)

0 引言

億欣煤業(yè)位于山西省晉城市沁水縣城龍港鎮(zhèn)堯都村，晉城規(guī)劃礦區(qū)西南部。井田地理坐標為北緯35°37′59″～35°41′20″，東經(jīng)111°58′43″～112°04′57″。礦區(qū)距沁水縣城約10 km，沁水—中村縣級公路在井田南部通過，侯(馬)—月(山)鐵路在井田東北部通過，陽翼高速公路在井田中部近東西向通過，交通條件十分便利。

億欣煤業(yè)是一座資源整合兼并重組礦井，由5個礦井整合而成，由山西沁水西港煤業(yè)有限公司、山西沁水富景西都煤業(yè)有限公司、山西沁水龍都煤業(yè)有限公司、山西沁水明陽煤業(yè)有限公司、山西沁水祖河煤業(yè)有限公司兼并重組而成，并新增了部分空白資源。井田南部與晉圣三溝鑫都煤業(yè)相鄰，西部與晉圣松峪煤業(yè)相鄰，西北部與翼城東溝煤業(yè)相鄰。井田面積為31.516 7 km2，設計生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a。礦井開拓方式為平硐-立井綜合開拓方式，主平硐、副平硐在原富景西都煤業(yè)平硐基礎上進行改造利用，其中原富景西都煤業(yè)開采后存在2處老空區(qū)，探放老空區(qū)積水是保障礦井安全最有效的措施之一。

1 地質及水文地質條件

1.1 地質條件

井田位于山西晉城沁水煤田西南部邊緣的沁水普查區(qū)域內(nèi)，井田西北部，西南部第四系上更新統(tǒng)(Q3)地層大面積出露，全新統(tǒng)(Q4)在井田中部杏河河谷及其兩側分布；井田范圍內(nèi)大面積分布有二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)地層，低凹地帶，河谷兩側分布有二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)地層，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)地層零星出露。

2#煤層：位于山西組中部，井田區(qū)域內(nèi)外有鉆孔及井巷工程對煤層進行了控制，煤層厚度0.25～2.40 m，平均1.50 m。井田范圍內(nèi)東部及西部的煤層較厚，中部逐漸變薄屬于不可采區(qū)域。為大部可采煤層，煤層結構簡單，很少有夾矸，局部煤層含一層夾矸，其頂板巖性為黑灰色砂質泥巖、細-中粒砂巖，底板巖性為灰黑色泥巖、粉砂巖。

15#煤層：位于太原組底部，井田區(qū)域內(nèi)外有鉆孔及井巷工程對煤層進行了控制，K2灰?guī)r為其直接頂板，煤層厚度1.60～4.29 m，平均2.55 m。井田內(nèi)煤層厚度由東部向西逐漸變薄，為井田內(nèi)賦存區(qū)穩(wěn)定可采之煤層，煤層層位及厚度均很穩(wěn)定，屬結構簡單穩(wěn)定型煤層。15#煤層中含1～2層泥巖夾矸，其頂板巖性為K2灰?guī)r，大部分有炭質泥巖偽頂；底板為中厚層狀泥巖、炭質泥巖。

1.2 水文地質條件

該區(qū)屬黃河流域沁河水系沁水河支流，界內(nèi)主要為杏峪河上游沖溝，地表水由南、北向中部匯集到杏峪河，多年平均降水量609.5 mm。

第四系松散沉積物孔隙含水層：井田內(nèi)無大面積分布，多為溝谷底部或山間斜坡與低凹處，其含水層的埋深較淺，滲透性強，難存儲水，受季節(jié)變化影響較大；受區(qū)域內(nèi)煤礦的廣泛開采，第四系含水層處于疏干、半疏干狀態(tài)。

二疊系碎屑巖類裂隙含水層：該含水層主要指石盒子組及山西組，主要補給源為大氣降水和上覆含水層的滲透補給，含水層主要分布于2#煤層上部的K8砂巖，井田內(nèi)2#煤層經(jīng)過開采的多年，存在大量采空區(qū)，在采空區(qū)塌陷范圍區(qū)域，地下水位下降，含水層含水量已接近半疏干狀態(tài)。

石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r及砂巖巖溶裂隙含水層：含水層位于該組地層的上部與中部，K6與K5、K4、K3、K2灰?guī)r及厚層中粒砂巖即屬該類含水層，含水層富水性受裂隙發(fā)育程度及構造或補給條件等因素控制，其不同地段富水性差異較大。據(jù)本井田施工ZK3-2號水文鉆孔15#煤層段抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量0.016～0.019 L/(s·m)，平均為0.017 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)按承壓公式計算為0.090～0.103 m/d，平均為0.096 5 m/d。

奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽類屬于巖溶裂隙含水層：本次井田內(nèi)施工ZK3-2號水文鉆孔，深度403.31 m，相當標高731.95 m，未見地下水，已穿透奧陶系峰峰組地層，揭露上馬家溝組地層129.63 m。據(jù)位于井田西南部的原沁水縣龍都煤業(yè)有限公司2009年施工的一眼開采奧陶系巖溶水的深井資料，井深803.5 m，含水層為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組和寒武系上統(tǒng)，經(jīng)連續(xù)7天抽水觀測靜水位埋深499.50 m，水位標高702.91 m，位于井田SE10 km處的下沃泉村(延河泉域范圍內(nèi))巖溶深井水位標高696 m，按區(qū)域地下水流向，該井位于龍都煤業(yè)有限公司深井的下游方向，計算兩井間水力坡度僅0.7‰，說明泉域西邊界附近地下水處于滯緩狀態(tài)。據(jù)此，確定井田內(nèi)巖溶水位標高為702～705 m。

2 探放老空區(qū)積水設計

2.1 工程概況

億欣煤業(yè)首采盤區(qū)為15#煤層一盤區(qū)，煤層厚度平均2.55 m，煤層頂板為K2灰?guī)r，底板為炭質泥巖，水文地質類型為中等，一盤區(qū)上覆2#煤層厚度小于0.6 m，屬于不可采區(qū)域。從主、副平硐井底，沿15#煤層頂板，向東方向布置3條大巷，分別為：東軌道大巷、東膠帶大巷和東回風大巷。在主平硐的東側存在一處老空區(qū)，積水面積21 291 m2，積水量13 462 m3，積水標高1 059.8～1 072.6 m，積水水頭為12.8 m，為及時把老空區(qū)積水疏放完，防止出現(xiàn)突水事故的發(fā)生，特編制探放老空區(qū)積水設計。

2.2 鉆場位置確定及驗算

鉆場位置確定：根據(jù)現(xiàn)場條件主、副平硐距積水區(qū)域較遠，為合理疏放老空水，鉆場預先設計在東軌道大巷200 m處，鉆場距老空區(qū)68 m，鉆孔起始位置標高1 055.3 m，鉆孔終孔位置標高1 061.2 m，老空積水區(qū)標高1 059.8～1 072.6 m，鉆場鉆孔位置水壓為0.173 MPa，預計放水量10 238 m3。

鉆場安全煤柱留設情況驗算：根據(jù)《煤礦防治水細則》中公式(1)計算施工過程中防隔水煤柱[1-2]。

(1)

2.3 探放水鉆孔設計、鉆機配備

鉆孔設計：鉆場布置5個鉆孔，相關設計參數(shù)見表1。在疏放老空區(qū)積水過程中先施工1#鉆孔，根據(jù)出水情況再施工2#、3#、4#及5#鉆孔。

表1 鉆孔設計參數(shù)

止水套管長度的確定：按照《煤礦防治水細則》中“水壓小于1 MPa止水套管長度必須大于5 m”及“探放老空積水止水套管長度不得小于10 m”，此次探放水最高水壓為0.173 MPa，止水套管設計為10 m。

止水套管的施工：選擇煤壁堅硬地段開孔，開孔孔徑為φ127 mm，鉆進至10 m下φ108 mm孔口管，從孔口管內(nèi)向四周壓入水泥漿，水泥漿凝結不小于48 h后掃孔，安裝壓力表和止水閘閥，注水進行耐壓試驗，試驗壓力大于孔口末端承受靜水壓力的1.5～2倍，試驗合格后，鉆進至老空積水區(qū)域，采用無芯鉆進。

鉆機配備：鉆機型號：ZLJ-700煤礦坑道鉆機，起拔力50 kN，推動力30 kN，鉆孔角度范圍0°～360°。選取φ42 mm鉆桿，每根鉆桿的長度為1 000 mm；選取φ127 mm鉆頭和φ75 mm鉆頭各一個。

2.4 鉆孔涌水量及排水設備選擇

鉆孔涌水量：根據(jù)《煤礦防治水手冊》中單孔出水量計算公式(2)計算單孔出水量。

(2)

排水設備選擇：根據(jù)老空區(qū)積水量，要求水泵及排水能力要滿足排出最大放水量[13-14]，經(jīng)過計算最大排水量與揚程，排水設備選用100D-45×2型離心泵和4寸排水管路進行排水，其中水泵4臺，2臺工作，1臺備用，1臺應急。

2.5 安全技術措施

鉆探工作開始前，所有參與疏放老空區(qū)積水的人員及鉆探人員應參加培訓學習《煤礦安全規(guī)程》《鉆探工操作規(guī)程》《探放老空區(qū)積水設計及安全技術措施》等規(guī)程。施工前應加強東軌道大巷200 m處鉆場附近的巷道支護，并在鉆場迎頭打好堅固的立柱和攔板。在東軌道大巷200 m處挖好排水溝及水倉，將預定好的排水設備配備到位方可鉆探。在東軌道大巷200 m處鉆場安設專用電話。參與此次探放老空區(qū)積水的人員均應掌握避災路線，并使安全退路暢通無阻，同時要與相鄰工作地點保持信號聯(lián)系，以便萬一出水，能馬上通知人員撤離。根據(jù)設計，標定探水孔角度時，由地測科測量人員現(xiàn)場指導標定。地測防治水科防治水技術人員及探水隊隊長應親臨現(xiàn)場，共同確定鉆孔的方位、傾角。當探放水孔鉆入老空水體時，應停止鉆探，但不得拔出鉆孔內(nèi)的鉆桿。當鉆孔內(nèi)的涌水量突然增大時，現(xiàn)場人員應立即向礦調(diào)度室匯報，并派人監(jiān)測鉆孔內(nèi)涌水情況。發(fā)現(xiàn)情況危急時，應當立即撤出礦井內(nèi)所有受水害威脅區(qū)域的人員到安全地點。

3 效果驗證

探放老空區(qū)積水設計完成后，探水隊嚴格按照設計方案對老空區(qū)的積水進行了鉆孔疏放，施工1#孔施工至73 m時至老空區(qū)，有夾鉆現(xiàn)象，初始涌水量6 m3/h；施工2#孔至67 m時至老空區(qū)，初始涌水量58 m3/h；未施工3#、4#、5#孔。放水過程中采用止水閘閥對放水孔進行了控制，用時16 d，共計放水量9 682 m3。由于及時排水，避免了巷道積水可能引發(fā)的事故，保證了正常生產(chǎn)工作，說明方案設計合理，符合煤礦的實際情況，促進了煤礦安全發(fā)展。

4 結語

本次探放老空水采取主動探放原則，根據(jù)億欣煤業(yè)的地質及水文地質資料，在億欣煤業(yè)采掘工程平面圖上認真分析老空區(qū)具體位置，確定老空區(qū)的積水范圍和積水量，對探放水鉆孔進行設計，正確疏放了老空區(qū)積水。在實踐工作中應用良好，對疏放井田內(nèi)的老空區(qū)積水具有指導意義。