燕子山礦對有補給水源的采空區積水治理技術研究

李滿如

（大同煤礦集團有限責任公司燕子山礦，山西大同037037）

1 水文地質概況

1.1 區域水文地質

大同煤田位于大同盆地以西，介于口泉山脈與牛心山脈之間，四周為強烈上升的中高山地形，煤田內部地勢變緩，為低山丘陵地貌。大同煤田為北東—南西向向斜構造，東南翼窄，地層傾角陡，構造較復雜，西北翼寬廣，構造簡單。區域內出露地層有太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第三系、第四系。區域內河流由北至南以次為十里河、口泉河、鵝毛口河、小峪河、大峪河，均屬桑干河水系。

1.2 礦井水文地質

燕子山井田位于大同煤田的西北部，為低山丘陵地貌，地面高程在1 250 m～1 300 m 之間，井田地勢總體呈南高北低之趨勢、黃土梁及“V”字型溝谷發育。

井田北界發育有桑干河支流御河的一級支流十里河。主要溝谷由東向西有馬脊梁溝、燕子山溝、苦水灣溝、七磨河，并呈羽狀排列，均由南而北匯入十里河，次一級支谷呈樹枝狀遍布于全區。

井田主要含水巖組由下至上有：寒武-奧陶系灰巖含水層、大同組層間裂隙含水層、云崗組砂巖裂隙含水層、第四系沖積-洪積層孔隙含水層。富水性較好的含水層有第四系沖積-洪積層含水層、云崗組及大同組裂隙含水層，由于侏羅系煤層的全面開采，其頂板的大同組、云崗組基巖含水層已遭到破壞，上部含水層中的水已經疏干，礦井充水水源主要來源于大氣降水。

1.3 工作面水文地質

C5#煤層8401 工作面位于燕子山井田西北部304盤區，地面位于位于燕子山紙坊頭進回風井以北、七磨河以東溝谷地帶，蓋山厚度357 m～321 m/339 m。工作面煤層厚度2.75 m～6.35 m，平均4.5 m，傾向長150 m，設計可采走向長度630 m，可采儲量36.91萬t。對應上覆為本礦侏羅系8#層8303、8301 采空區，12#層8303、8301采空區及14-3#層8301～8309采空區。其中8#層與C5#層層間距約為270 m，12#層與C5#層層間距約為190 m、14-3#層與C5#層層間距約為170 m。8#層、12#層與14-3#層工作面由于為上下重疊關系，層間距較小，因而推測積水范圍集中在14-3#層采空區（見圖1）。

圖1 C5#層8401面與上覆14-3#層303盤區層間對照

2 工作面前期開展的探放水工作情況

工作面圈定之后，即由山西煤炭地質水文勘察研究院施工地面綜合物探，根據物探結果并結合實際掌握的地質資料，施工了5個鉆孔進行驗證，具體情況見表1。

表1 C5#層8401面探放水鉆孔成果

通過鉆孔施工，侏羅系采空區積水基本排查完畢，但上覆14-3#層8307 面采空區積水起初預計8 萬m3，實際放水10 萬m3，實際放水量大于預計水量，且經過觀測，后期鉆孔出水量均衡在20 m3/h，判斷有補給水源。經過收集地質資料分析，判定8307面采空區積水來源為工作面西北部張家場小孩溝煤礦14-2#層采空區積水直接補給。該礦于2009年關閉，批準開采11#、12#煤層，實際開采11#、12#、14-2#煤層，燕子山礦14-3#層8307 面上覆14-2#煤層就有張家場小孩溝煤礦的破壞區（14-2#與14-3#煤層層間距9 m～11 m）。14-3#層8307面回采后，頂板大面積塌落，上覆張家場11#、12#層采空區積水經過導水裂隙帶滲入14-2#層直至14-3#層。由于11#、12#煤層蓋山厚度僅為110 m～130 m，且對應地面溝谷較多，分析張家場小孩兒溝煤礦采空區積水應為地面大氣降水補給，見下圖：

圖2 C5#層8401面與小孩溝礦14-2#層破壞區位置關系

C5#層8401 工作面為下山開采，如何盡快解決補給水患，防止上覆采空區積水大量下泄造成危害，保證工作面安全回采是本次技術研究的主要方向。

3 對有補給水源的采空區積水治理技術研究

在防治水技術手段上，針對這種有補給水源的采空區，從空間與時間上綜合統籌考慮防治水方案，采取探、疏、排、截、監五種方法進行防控[1]，具體技術措施及步驟如下。

3.1 截留采空區積水

加快8401面相鄰5403巷掘進進度，進入上覆14-3#層8307 采空區積水范圍下方時，利用8307 采空區高程，選取合適地點施工地面鉆孔到5403巷，將8307采空區大部分補給水量截留到5403巷，減少8307采空區積水對8401回采工作面的影響。地面鉆孔竣工后，直接連接排水管路利用壓差自動排水至304 盤區水倉。通過該項技術措施，有效的對采空區出水進行分流，8401工作面放水鉆孔出水量減少至10 m3/h，分流2403巷的采空區水量為10 m3/h。

3.2 轉移古塘出水壓力

充分利用5403 巷與2401 巷道高程差，對8401 工作面古塘的積水進行分流。在5403 巷選取較低標高處施工鉆孔至8401工作面古塘，對8401工作面古塘的積水進行引流至5403 巷水泵窩輔助排水，輔助排水15 m3/h，減輕8401工作面在回采過程中受古塘積水的影響。

3.3 施工水文鉆孔監測水位

在14-3#層8307 采空區最低處對應地面施工一個水文觀測孔[2]，每日觀測水位，分析8401工作面回采期間上覆8307采空區積水下泄程度。

圖3 14-3#層8307采空區補給水綜合治理立體示意

如上圖，通過以上技術手段，將8401 工作面上覆采空區化整為零，降低了透水危險。

3.4 圖表分析采空區積水動態變化情況

編制鉆孔排水量變化圖（圖4），充分了解每日排水量變化情況，分析采空區積水補給程度，重點監測5403 放水孔巷水壓、水量，8401 面古塘出水量變化情況。如發現5403巷放水孔水量逐漸變小，8401古塘出水量逐漸增大，立即停產。

圖4 C5#層8401面排水時間與水量變化示意

4 安全保障措施

4.1 作業區域薄弱地點建立應急排水系統

在8401工作面兩個順槽巷4個低洼處建立了應急排水系統，每處都配備兩臺55 kW 潛水電泵，兩路φ 108 mm排水管路。

4.2 實時監控危險源，第一時間響應

要求304 盤區水倉值守人員手拉手交接班，一旦發現出水口水量增大，第一時間報告調度室，通知306、304盤區作業人員撤退。

5 治理效果及社會效益

目前燕子山礦C5#層8401 等3 個工作面已經全部回采結束，回收原煤87萬t，開采期間工作面涌水量實現了安全可控，沒有出現突水事故。

在上覆采空區有補給水源，存在潛在風險的情況下進行采煤作業，在防治水管理理念上是比較大膽的探索。通過該案例，總結出了一套有補給水源采空區的“探、疏、排、截、監”綜合治理技術。

（1）通過地面鉆孔、井下鉆孔分步、分段截流采空區積水，分攤排水量，將水患“化整為零”的“探、截”技術。

（2）利用井下地形優勢，施工同層疏水孔，將古塘出水引至臨巷排放，減輕積水對生產的影響的“疏放”技術。

（3）地面水文孔觀測水位，圖表預測采空區積水變化的“監測”技術。

（4）排查采掘區域內防治水薄弱環節，建立防排設施的“防排”技術。