忻峪煤業(yè)老空水探放技術(shù)研究與應(yīng)用

徐磊

（潞安化工潞寧忻峪煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036706）

1 工程概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

山西潞安集團(tuán)潞寧忻峪煤業(yè)有限公司位于忻州市寧武縣，由5 個(gè)煤礦整合而成，主要可采煤層為侏羅系2、3 號(hào)煤層，生產(chǎn)能力為60 萬t/a。侏2號(hào)煤層為井田內(nèi)大部可采穩(wěn)定煤層，煤層平均總厚0.85 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

1.2 礦井邊界條件

在井田北部、中部均有侏2 號(hào)煤層露頭分布，煤層埋深淺，煤層露頭附近分布有不同時(shí)期的私開小煤窯，現(xiàn)在雖全部徹底關(guān)停，并已全部填埋，但對(duì)區(qū)內(nèi)侏2 號(hào)煤層部分資源已造成破壞。私開小煤窯在井田內(nèi)外分布廣泛，大部分為斜井開拓，少數(shù)為立井開拓，巷道自井口一般延伸約100 m，最長(zhǎng)可達(dá)150 m，采煤方法以掘代采，形成了大面積的采空區(qū)。部分小窯空區(qū)情況見表1。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 井田主要含水層

（1） 砂巖裂隙含水層。該含水層主要位于井田邊界的東側(cè)，巖性以中—細(xì)粒砂巖為主，巖層的平均厚度為6 m。井田西部距離寧靜向斜軸部1.5～5.5 km 處的裂隙水承壓，壓力較小，補(bǔ)給來源較少，水量小，含水性弱。據(jù)ZK201 孔J2d 抽水試驗(yàn)資料，該層水位標(biāo)高為1 712.253 m，涌水量為0.018 L/s，單位涌水量為0.000 239 L/s·m，滲透系數(shù)為0.21 m/d。

（2） 基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。該含水層在井田范圍內(nèi)局部發(fā)育，由于受多個(gè)大地質(zhì)構(gòu)造的影響，井田范圍內(nèi)多處發(fā)育有河谷，谷底海拔較低，地面巖層受風(fēng)化的影響較大，巖層內(nèi)各種裂隙發(fā)育。該含水層的主要補(bǔ)給水源為大氣降水，降水落到地面后，流向低谷。該含水層含水量小，富水性差。根據(jù)實(shí)測(cè)，最大流量低于0.5 L/s。據(jù)ZK201孔基巖風(fēng)化帶抽水試驗(yàn)資料，該層涌水量為0.281 L/s，單位涌水量為0.003 08 L/s·m。

圖1 2 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Lithology of roof and floor of No.2 coal seam

表1 部分小窯空區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of goaf in some small kilns

2.2 井田主要隔水層

侏2 號(hào)煤層以下的隔水層主要是泥巖，主要發(fā)育在井田的北側(cè)和東側(cè)，平均厚度為120 m。泥巖的隔水性能較好，阻止了砂巖裂隙水向上移動(dòng)。但在礦區(qū)內(nèi)起控制作用的隔水巖層主要為侏羅系云崗組灰色泥巖，厚約200 m，層位穩(wěn)定，遍布整個(gè)礦區(qū)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)的關(guān)系

寧靜向斜是本區(qū)域最大的褶皺構(gòu)造，長(zhǎng)90 km，寬30 km。向斜軸走向北東—南西向，且北東端揚(yáng)起。北西翼為蘆芽山系，傾向南東，傾角為15°～70°；南東翼為云中山，傾向北西，傾角為16°～68°。總的來看，從兩翼到軸心，巖層傾角由陡到緩，北西翼比南東翼巖層傾角大。受該向斜的影響，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有大量的斷層等地質(zhì)構(gòu)造，許多地下泉水出露，如紅土溝和饅頭山泉，還有東翼的任家村泉和杜家村泉等。在化北屯附近施工的部分鉆孔有涌水現(xiàn)象，如ZK1405 孔鉆進(jìn)至400 m（大同組） 時(shí)突然涌水，涌水量可達(dá)6.983 L/s，水頭高度為13.85 m。因此區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水儲(chǔ)存、運(yùn)移起著主要控制作用。

2.4 涌水量計(jì)算

采用富水系數(shù)比擬法和地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)侏2號(hào)煤層先期開采地段進(jìn)行涌水量預(yù)算。

（1） 富水系數(shù)比擬法。該方法是計(jì)算礦井涌水量的一種常用方法，計(jì)算公式如下：

式中：Q 為礦井涌水量，m3/d；Kp- 為煤層富水系數(shù)，m3/d；P- 為礦井產(chǎn)量，t/d。

代入計(jì)算可得，侏2 號(hào)煤層預(yù)測(cè)的正常涌水量為334 m3/d，最大涌水量為535 m3/d。

（2） 地下水動(dòng)力學(xué)法。

式中：M 為含水層總厚度，m；H 為靜止水位到疏干標(biāo)高的距離，m；S 為水位降深，m；K 為滲透系數(shù)，m/d；R 為影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

代入計(jì)算可得，開采侏2 號(hào)煤時(shí)的礦井涌水量為2 870 m3/d。

對(duì)比以上2 種方法計(jì)算結(jié)果，建議開采侏2 號(hào)煤時(shí)礦井正常涌水量可采用2 100 m3/d，最大礦井涌水量采用2 900 m3/d。

3 老空水探放技術(shù)研究

采用鉆孔探放、注漿堵水等多種方式對(duì)老空水進(jìn)行治理。

3.1 鉆孔探放水

（1） 確定積水點(diǎn)。工作面掘進(jìn)結(jié)束后，對(duì)順槽的底板標(biāo)高進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距10 m。部分底板標(biāo)高變化較大的區(qū)域測(cè)點(diǎn)間距取5 m。以此繪制實(shí)測(cè)的煤層底板等高線圖。根據(jù)此圖確定兩巷的最低點(diǎn)為老空區(qū)的積水點(diǎn)。

（2） 鉆場(chǎng)的確定。為盡量減小對(duì)工作面回采的影響，鉆場(chǎng)布置在工作面停采線以外，對(duì)巷道煤壁進(jìn)行擴(kuò)幫設(shè)置鉆孔，布置鉆探設(shè)備。

（3） 鉆孔施工。根據(jù)測(cè)算，老空水的水壓不大于1.0 MPa，確定鉆孔孔徑為146 mm，分三級(jí)套管，直徑分別為127、108、89 mm。

（4） 鉆孔封孔。各級(jí)套管均采用快硬硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行封孔。封孔結(jié)束24 h 后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為3 MPa，打壓時(shí)間不小于20 min，如果出現(xiàn)漏水，則重新封孔，直至封孔合格。

3.3 其他老空水探放技術(shù)

（1） 淺部做截水巷技術(shù)。為減少淺部地下水向深部徑流，在井下有地表露頭的區(qū)域，留著一定寬度的防水保護(hù)煤柱，同時(shí)掘進(jìn)1 條巷道作為專門的泄水巷，減少地表水向采區(qū)的流動(dòng)。同時(shí)截流大氣降水和地表水對(duì)礦井水的補(bǔ)給，實(shí)行淺水淺排，能有效保證煤層露頭附近的開采。

（2） 注漿堵水技術(shù)。忻峪煤礦2 號(hào)煤底板含水層主要為砂巖，由于含水層附近地質(zhì)構(gòu)造和裂隙發(fā)育，在工作面回采的影響下，工作面底板與頂板的含水層之間容易發(fā)生水力聯(lián)系，在相鄰工作面回采時(shí)有可能造成突水。因此，在淺部截水巷內(nèi)打鉆，對(duì)巷道掘進(jìn)和工作面回采中揭露的破碎帶進(jìn)行注漿加固，封堵充填其中的裂隙，增強(qiáng)底板巖層的隔水性能，保證工作面回采的安全。

（3） 布置泄水巷。工作面兩巷掘進(jìn)時(shí)，在運(yùn)輸巷布置泄水巷，每隔15 m 布置1 條，在泄水巷與運(yùn)輸巷之間通過聯(lián)絡(luò)巷相連。在泄水巷內(nèi)安裝排水泵和排水管路，工作面掘進(jìn)和回采中的水可以集中到泄水巷中排出，保證正常的工作面生產(chǎn)。

（4） 設(shè)計(jì)防排水系統(tǒng)。在工作面和采區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮建立1 套強(qiáng)排水系統(tǒng)，在采區(qū)泵房處增大安裝大流量的排水泵，建立從采區(qū)泵房到工作面、掘進(jìn)頭的排水系統(tǒng)，確保可以將工作面回采和巷道掘進(jìn)中的涌水及時(shí)快速的排出。

3.4 工程效果

侏2 號(hào)煤層工作面施工了12 個(gè)鉆孔探放水，放水量超過10 萬m3，基本疏干了工作面附近的老空水，工作面回采中未出現(xiàn)老空突水，僅部分地段出現(xiàn)了淋水，對(duì)工作面回采影響較小。

4 結(jié) 語

忻峪煤業(yè)有限公司侏2 煤層的礦井最大涌水量為2 900 m3/d，通過采用鉆孔探放水、截水巷、注漿堵水、泄水巷等措施對(duì)老空水進(jìn)行了疏放，工作面回采中水量較小，實(shí)現(xiàn)了安全回采，為類似條件下的老空水治理提供參考。