無煤柱工作面上覆多層小窯采空積水綜合治理技術應用

賀 偉

（山西省同煤集團云崗礦，山西 大同 037017）

云岡礦已經進入資源枯竭階段，為了最大限度地開采煤炭資源，必須在一些盤區邊界和水患嚴重的區域布置工作面。其中12#層410 盤區81041、81043 工作面是2019 年云岡礦選定的無煤柱工作面[1]，由于上覆8#、3#層存在大南溝和大西溝兩座小煤窯破壞區域，開采年代久遠，采空區積水較多，小窯巷道錯綜復雜，必須采用多方面、多角度綜合技術解決上覆小窯采空積水的水患問題。

1 水文地質概況

1.1 水文概況

12#410 盤區 81041、81043 工作面的上覆 3#層為大南溝小窯破壞區，層間距為118 m，8#層為大西溝小窯破壞區，層間距為63 m。由于小窯開采年代久遠，多層小窯采空區，水患治理難度較大。在同一煤層井下北部為12#層20127 巷，南部為12#層410-4 盤區巷，西部未開拓，東部150 m 外為81017 和81027 采空區。根據《云岡礦水文地質類型劃分報告》[2]資料解釋結果，其下伏層的寒武灰巖巖溶水不會對開采造成威脅，不存在帶壓開采。

1.2 地質概況

12#層410 盤區81041、81043 無煤柱工作面位于云岡礦410 盤區西部接近礦界處。工作面煤層整體為一向斜構造，南北走向，東西傾向，東西高中間低，煤層傾角為5°～7°，平均6°，煤層厚度為1.5～4.0 m，平均2.75 m。81043 工作面走向長360 m，傾向長99 m，可采儲量為8 萬t。81041 工作面走向長250 m，傾向長137 m，可采儲量為10萬t。

2 積水區圈定及積水量預計

2.1 積水區圈定

針對81041、81043 工作面上覆存在的多層小窯采空積水，按照如圖1 所示的治理流程進行水患治理。

圖1 水患治理流程圖

根據已有的小窯資料和物探成果以及臨近的采掘情況，在掘進期間，分別對21017 空巷和81041切巷進行施工，得到預計的積水區如圖2 所示。其中3#孔放水8497 m3，8#孔放水14 000 m3，9#孔放水22 400 m3，15#孔放水27 887 m3。為了達到所有鉆孔覆蓋3#、8#層采空區，在施工過程中，所有放水孔在8#層見實體煤時，繼續向上施工至3#層。

2.2 積水量預計

在該區域共開展三次物探工程：第一次和第二次均是由中國煤炭地質總局地球地理勘探研究院對該區域進行三維地震勘探，并給出相應的勘探結果分析報告；第三次是由中國礦業大學對該區域進行的410 盤區新開拓區域上覆采空積水區物探，并給出相應的物探結果分析報告[3]。根據以上物探結果分析報告分析認為，12#層410 盤區81041、81043工作面上覆層局部存在異常區，同時根據小窯科提供的小窯追溯資料，初步預計8#層積水量為11.5萬m3。

圖2 工作面預計積水區域

3 探放水設計

3.1 探放水方案

采取掘放水孔疏干排水方案，使用ZDY-4000LD型的鉆機進行鉆孔[4]將積水排出。在施工前，先沿工作面走向掘一長40 m 的平巷，將采空積水區的補給水量通過放水孔進行自由排出，排水時間較短。

3.2 探放水鉆孔布置

探放水鉆孔的開孔孔徑為110 mm，終孔孔徑為75 mm。為了便于鉆孔放水，開孔位置距離巷道頂板2 m。為了保證放水效果，減少堵孔事件，終孔盡量距離采空區原頂板1.5～2.0 m。鉆頭直徑為108 mm，采用壓力排查法進行鉆進，并套上直徑為108 mm 的套管，采用水泥漿法進行封孔。在水泥漿凝固24 h 后進行掃孔，掃孔的深度要大于孔口管長度，72 h 后進行耐壓試驗，保證順利放水，再用直徑為73 mm 的鉆頭鉆至終孔，根據采空區的能力通過對閘閥的調節來對放水進行控制。探放水鉆孔的結構如圖3 所示。封孔的材料是將普通硅水泥中摻入速凝劑，并加水攪拌成均勻的水泥漿，用封孔器將水泥漿打入鉆孔內。鉆孔按照事先編好的編號對15 個孔進行探放，施工到終孔后進行探放水，到水放完為止，并及時關閉閘閥。

3.3 放水措施

探放水工作從順槽、回風布設，根據以往的經驗，設定超前探測距離60 m，可掘進距離30 m，超前距30 m。在放水過程中，如果鉆孔的流量突然變小，要進行通透或擴孔來查明原因。在鉆孔的放水口安裝閘閥和水壓表，對水流量進行監測和控制。

圖3 探放水鉆孔結構圖

3.4 探放水測試

根據已經施工的放水孔參數和3#、8#、9#、15#放水孔的壓力計算出水位高度，同時重新勾畫出上覆層等高線，繪制出上覆層的充水性圖。預計積水區積水面積和積水量為：8#層積水量為7.5 萬m3，3#層積水量為4 萬m3。根據新繪制出的充水性圖和積水區域，繼續設計了13 個驗證放水孔。由于此時施工的放水孔有針對性，最終確定18#放水孔為小窯采空區最低區域，放水量為11 044 m3；20#孔為局部低洼處，放水量為1500 m3；32#孔為局部低洼處，放水量為1650 m3。施工結果基本上與預測一致，通過驗證放水孔可以進一步圈定8#層的小窯采空范圍。對上覆采空區的積水進行探放后，不僅緩解了頂板壓力，節約了支護材料，還能預防由于積水長期浸泡而造成的漏頂，使回采工作面能順利銜接。

4 實際效果

參照所有放水孔施工的參數和壓力值，以及通孔情況，確定了最終上覆層的等高線圖和積水范圍如圖4 所示。3#層、8#層共計放水121 000 m3，從而81041、81043 工作面的水患已消除，解放了81041 工作面煤炭儲量10 萬t，解放了81043 工作面煤炭儲量8 萬t，原煤利潤煤價按250 元/t 計算，工作面共創造利潤4500 萬元。

圖4 工作面最終積水區和采空范圍

5 結論

針對12#層410 盤區81041、81043 工作面上覆采空區積水問題，提出一種新的水患治理方法，得到結果如下：

（1）工作面上覆3#、8#層為多層小窯采空區，采用地面物探技術和小窯資料追溯，初步圈定積水區及預計積水量，為后期的探放水施工提供準確參考，保證了探放小窯積水的順利進行。

（2）在掘進期間進行鉆探放水，有針對性地布設放水孔，在8#層沒探通的情況下，還要繼續施工至3#層，確保了多層小窯積水的疏放，既保證了探放水工程的進行，又不影響回采銜接。

（3）在綜合防治水技術下，順利圈出工作面積水區域。實施探放水后，共解放了81041 工作面煤炭儲量10 萬t，解放了81043 工作面煤炭儲量8萬t，原煤利潤煤價按250 元/t 計算，工作面共創造利潤4500 萬元。