下煤層探放水巷道布置及探放水技術研究

（山西潞陽煤炭投資經營管理有限公司，山西 壽陽 045400）

長榆河煤業(yè)位于山西省晉中市壽陽縣北27 km處。井田面積6.56 km2，產能0.9 Mt/a，批準開采6、8、9、12、15上、15下號煤。礦井采用下行式開采方法，井田東部15上號煤層已回采結束，15上號煤層平均煤厚2.71m，15下號煤層平均煤厚2.65m，兩個煤層的層間距0.50～10.60m，平均4.34m，屬近距離煤層。由于15上號煤層長時間開采所形成的采空區(qū)有大量積水，對下方近距離的15下號煤層回采存在重大水害隱患；此外15上號煤層開采時所留設的煤柱對下方近距離的15下號煤層回采工作面頂板具有應力集中作用[1-2]。綜上所述，15下號煤層探放水巷道的合理布置是制約礦井安全高效生產的因素。

1 井田東部積水情況

在長榆河煤業(yè)井田東部存在3個大采空區(qū)積水區(qū)域，分別命名為東北部積水區(qū)、中部積水區(qū)和南部積水區(qū)。積水區(qū)統(tǒng)計情況見表1。

表1 井田東部積水區(qū)統(tǒng)計情況

結合井田東部的15上號煤層和15下號煤層底板等高線，在東北部積水區(qū)15下號煤層底板水平標高最低，為+970水平，積水量最多。因此，該區(qū)域對15下號煤層開采是最大的水害隱患。綜上因素分析，先行在東北部積水區(qū)施工探放水巷道對于保證礦井正常安全生產具有重要意義。

圖1 井田東部積水區(qū)范圍

2 探放水巷道布置總體分析

圖2 井田東部15上、15下號煤層剖面

2.1 探放水巷道布置方式

基于以往對巷道錯距布置相關研究成果，對于探放水巷道的布置通常有內錯、外錯、重疊三種布置方式[3-4]。

（1）內錯布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號煤層15101工作面采空區(qū)下方應力下降區(qū)域之中。當采用內錯布置方式時，探放水巷道所承受上方采空區(qū)采動影響后的作用較小，然而同架空人車大巷之間所要留設煤柱寬度約50～60m，將會造成煤炭資源損失，且布置于15101工作面采空區(qū)積水區(qū)下方也會受到積水影響。

（2）外錯布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號煤層15101工作面采空區(qū)正下方之外的區(qū)域。此時同架空人車大巷之間所要留設煤柱寬度較小，有利于煤炭資源的回收，且所受15101工作面采空區(qū)積水區(qū)影響較小，有利于探放水期間的安全作業(yè)，但是圍巖支護控制較為困難。

（3）重疊布置方式。就是將探放水巷道布置于15上號煤層15101工作面進風順槽下方，此時圍巖控制支護水平兼具內錯和外錯兩個布置方式的優(yōu)、缺點，并同樣受到15101工作面采空區(qū)積水區(qū)的影響。

綜合上述分析，該探放水巷道還可以利用為15下101工作面的順槽，采用外錯布置方式，不僅有利于探放水期間的安全作業(yè)，也有利于15下號煤層回采時的煤炭資源回收?；陂L榆河煤業(yè)井田東部現場開采情況，剖面見圖2，在水平方向上，布置于15下號煤層的架空人車大巷，同其上方15上號煤層的15101工作面采空區(qū)進風順槽之間的水平距離為42 m。

2.2 探放水巷道外錯距計算

基于前人理論研究成果可知，作用于煤柱底板上同一水平截面不同深度上，煤柱應力分布不均衡與煤柱之間距離有密切關系。應力分布不均衡程度隨著與煤柱距離的增大而減小，越遠離煤柱、距離越大，其整體穩(wěn)定性狀態(tài)也就越好。因此，需要將探放水巷道布置在應力分布較小的位置，以利于巷道圍巖控制和支護。通?？梢圆捎酶淖兟蔏來表示應力分布不均衡的程度[5]。

式中：σ（x）為應力作用于煤柱底板同一水平截面上的分布函數；x為水平方向上選取點與煤柱采空區(qū)一側之間的距離。

上述公式經分析，可以得出，改變率K越小，作用于煤柱底板上同一水平截面上該點的不均衡程度越低。依據求改變率K的極值Kmin能夠求解出各個應力改變率極值所在位置，以此得出受煤柱集中應力影響情況下的不均衡分布范圍Ssx[6]。

式中：Ssx為受煤柱集中應力影響情況下的不均衡分布范圍，m；L為留設煤柱寬度大小，m。

基于上述分析結果，煤柱留設寬度同探放水巷外錯距離之間關系見表1。

表1 煤柱留設寬度同探放水巷外錯距離之間關系統(tǒng)計

并且探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平距離Skx可以通過以下公式計算[7]。

式中：Skx為探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平距離，m；hr為15上號煤層與15下號煤層之間的層間距，m；m為下方15下號煤層的煤厚，m；β為下方15下號煤層的傾角，°；δ為煤柱集中應力影響傳遞角，°。

15上號煤層與15下號煤層之間的層間距平均4.34m，15下號煤層平均煤厚2.65m，平均傾角5°。根據以往研究成果，煤柱集中應力影響傳遞角取值在18.13°～48.49°。將以上參數代入式（3），得出探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平距離在2.23～7.21m，即可位于煤柱應力減小區(qū)域。

綜合考慮探放水巷道需要對15101工作面采空區(qū)積水進行探放水，后期還要利用其作為15下101工作面的順槽使用。為減小動壓影響，保證巷道支護效果，上述計算結果取安全系1.3，即探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平距離在2.89～9.37 m。

合理外錯距離取上述計算結果最大值9.37m，本次設計探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平外錯距離最終取10 m。

2.3 探放水巷道與架空人車大巷煤柱防水效果

根據上述計算結果，探放水巷道同15101工作面采空區(qū)側邊緣水平外錯距離設計為10m，探放水巷道寬度為4m，探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱寬度則為28 m。因如前所述探放水巷道上方15101工作面采空區(qū)積水范圍及積水量較大，加之目前已經探明15下號煤層含水量也很大，因此必須對探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱防水效果進行分析驗證，以保證煤柱可以起到有效阻隔積水，保障井下安全生產的作用。

（1）煤柱隔水效果分析

本次研究不將煤體各個方向上的差異，且實際上煤體的不均勻、不連續(xù)等性質納入研究范疇，因此該隔水煤柱在上覆圍巖載荷影響下，煤柱內自探放水巷道到架空人車大巷可以分成塑性屈服區(qū)和彈性核區(qū)兩個區(qū)域。其中，塑性屈服區(qū)是煤柱內部靠回采工作面一側的區(qū)域，在工作面回采期間將不能承載上覆圍巖傳遞的載荷而產生內生裂隙甚或被破壞，此時由于水的滲透作用，煤柱內發(fā)生塑性變形的區(qū)域將無法起到有效的隔水作用。而煤柱中能夠基本保持原巖應力情況的彈性核區(qū)，能夠有效地起到隔水效果。

（2）煤柱合理隔水寬度

基于前人研究結果，探放水巷道與架空人車大巷煤柱的塑性屈服區(qū)應當比工作面回采時受動壓作用影響的范圍小，因此煤柱合理隔水寬度可通過下述公式計算[8]。

式中：a為煤柱受工作面回采擾動影響因子，綜采取值1.5；b為煤柱在掘巷期間的影響因子，取值1.32；L1為煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍，m；L2為煤柱極限彈性核區(qū)范圍，m。

①煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍

煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍可通過下述公式計算[9]。

式中：m為下方15下號煤層的煤厚，m；K為采空區(qū)一側煤柱的應力集中程度，取值2.5；γ為15下號煤層上覆圍巖平均容重，kN/m3；H為15下號煤層埋深，m；Cm表示15下號煤層內聚力，MPa；φ表示15下號煤層內摩擦角，°；f為15下號煤層同頂底板圍巖互層接觸系數，取值0.15；pi為巷道支護對煤柱幫應力，單位為MPa，取值0；ξ為三軸應力計算公式，取值

15下號煤層平均埋深240m，上覆圍巖平均容重25 kN/m3，平均煤厚2.65m，內聚力1.8MPa，內摩擦角33°。將以上實際參數代入式（5），得出在礦壓作用下煤柱靠近采空區(qū)的塑性屈服區(qū)范圍為1.66 m。

②煤柱極限彈性核區(qū)范圍

根據《煤礦防治水細則》關于隔水煤柱安全系數的相關規(guī)定，煤柱極限彈性核區(qū)范圍可通過下述公式計算[10]。

式中：m為下方15下號煤層的煤厚，m；K為《煤礦防治水細則》中關于安全系數的相關規(guī)定，取值3；P為水頭壓力，井田東部下方15下號煤層最低和最高標高分別為+970和+1100，該值應為1.3MPa；Kp為15下號煤層的抗拉強度，根據實際情況取值0.96MPa。

將相關參數代入式（6）中，則煤柱極限彈性核區(qū)范圍為8.01 m。

③煤柱合理隔水寬度

綜合上述計算結果，將L1和L2的計算結果代入式（4）中，可以得出煤柱合理隔水寬度L≥14.58 m。根據前述合理外錯距離計算結果，探放水巷道與架空人車大巷之間的煤柱寬度則為28m，能夠有效保證煤柱隔水效果和巷道圍巖支護效果。

最終設計探放水巷道布置情況見圖3。

圖3 探放水巷道布置剖面

3 探放水技術措施

在探放水巷道布置多臺泵分級排水作業(yè)。為防鉆孔塌孔對抽排水作業(yè)造成影響，設計采用下三節(jié)總長7m的套管，三個節(jié)之間均采用鐵絲連接，采用水泥砂漿將鉆孔孔口封閉，外接100 mm閥門。在探放水期間主要采用以下幾個方面的防治水措施：

（1）堅持水文地質專項預報。

（2）加強探放水期間的水情觀察。

（3）加強對補給動水的抽排工作。

（4）在適宜地點安裝強備用排水大泵。

4 結語

本次研究的探放水巷道合理布置能夠滿足架空人車大巷煤柱隔水效果不受15下號煤層開采影響，并且探放水巷道與上方15上號煤層采空區(qū)積水區(qū)域具有合理外錯距離，以便于探放水作業(yè)。然而由于長榆河煤業(yè)是資源整合煤礦，所整合煤礦技術管理相對薄弱，地質、圖紙等技術管理有所欠缺，給礦井防治水工作造成一定程度的困難，在現場探放水工作中，應結合實際，以提高礦井防治水工作水平。