淺談原海圣采空積水超前探放方案應用

謝海亮

(霍州煤電集團晉南煤業公司 地質處，山西 霍州 043300)

隨著煤炭資源的大規模開采，開采深度不斷增加，淺部煤層采出后形成的采空區，賦存有大量的采空區積水。煤炭資源的開采會導致頂板巖層發育為一定高度的導水裂隙帶，降低頂板巖層的隔水性能，形成導水通道。一旦導水通道導通上部采空區積水區域，將會發生礦井工作面突水事故，突水事故一旦發生，水量巨大，來勢兇猛，礦井水還具有很大的腐蝕性，直接威脅到井下工作面的安全高效生產[1]。因此，需針對礦井采空區積水范圍進行分析，并在下層煤開采前，對上覆采空區積水進行針對性的抽排[2-3]。

1 工程概況

1.1 礦井概況

原海圣煤礦為騰暉煤業整合礦井之一，位于山西省河津市，2020年原海圣煤礦采掘區域為三采區，采區范圍內受小煤窯破壞較為嚴重，存在水害威脅。為確保三采區回風巷施工安全，采取積極疏放措施消除三采區內主要巷道及采空區積水威脅，確定在10號煤主運巷疏放上覆2號煤層海圣主要巷道積水，并進行長期疏放。

三采區走向長約3 km，傾向長約1.8 km，采區面積為3 616 077 m2，整體為一不規則的多邊形，開采2號煤層+330 m水平，地面標高+622～+842 m；井下標高+325～+620 m，埋藏深度150～470 m。三采區內主要開采2號煤層，位于山西組下段上部，下距10號煤層43.11～52.18 m，平均47.30 m。煤層厚度5.98～7.23 m，平均6.24 m，傾角3～12°，平均7°，簡單到復雜結構，含0-1層夾矸，為全區穩定可采煤層，位置關系如圖1所示。采區內2號煤層埋藏較深，無地表露頭或隱伏露頭，不存在風氧化現象。

圖1 三采區煤層位置關系示意

1.2 三采區采空積水區情況

三采區存在8座關閉小煤窯、23座廢棄井口。根據調查，三采區范圍內存在11處采空區，其中4處采空區內存在積水，原海圣大巷巷道內存在積水。區域內原各小煤窯采空區多有連通，受井田西低東高的單斜構造影響，周邊采空積水向井田中部采空區形成補給。三采區采掘活動范圍大部分在采空區域內，在施工過程中,需要揭露采空區，形成采空區積水突水威脅，且在有隱伏導水構造橫向溝通積水區與三采區井巷工程時，則會發生嚴重的采空積水突水事故。采空區積水是三采區最大的水害隱患。

原海圣小煤窯三條大巷有井下長流水，與騰暉井底繞巷疏放水點有巷道溝通，疏放水點標高+324 m，過水巷道中積水最高標高+336 m，預計該標高下巷道全部積水，積水巷道長度約5 700 m，巷道斷面約8 m2，充水系數按最高值0.8計算，預計水量30 000 m3。

2 探放采空區積水設計

2.1 鉆場設計

騰暉原海圣巷道疏放水定向鉆孔預設1個鉆場，位于10號煤主運輸巷8號導線點左幫，鉆場長9.5 m、深5 m、高3 m，如圖2所示。

圖2 騰暉原海圣巷道疏放水鉆場位置示意

2.2 鉆孔設計

經探測，疏放水靶向區域小窯巷道底板標高至孔口落差最大為50 m，積水高度推測為20 m，孔口水壓0.6 MPa，根據煤礦防治水細則，孔口預設10 m地質套管(兩堵一注)，耐壓強度>1 MPa，鉆孔施工期間安裝孔口裝置。

疏放水設計4個定向鉆孔，如圖3所示，按照鉆孔施工順序：2號鉆孔施工靶區為F1至F2斷層中間運輸大巷(原海圣)煤巷；1號鉆孔施工靶區為兩斷層中間材料大巷(原海圣)79號導線點附近；3號鉆孔施工靶區為兩斷層中間中央水倉(原海圣)最低點；4號鉆孔施工靶區為F1斷層以北材料大巷(原海圣)68號導線點附近。考慮到小窯底板可能積存巖渣，鉆孔終孔位置應在巷幫打通小窯巷道。2號鉆孔設計兩個分支，2-1號分支施工至斷層上盤運輸大巷前10 m，進行對2號煤層頂板高度探測，根據實際2號煤層頂板標高推測運輸大巷靶區標高，以及驗證其余靶區標高是否正確。

圖3 騰暉原海圣巷道疏放水鉆孔水平投影

1號鉆孔開孔方位角43.76°，目標方位角43.76°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度267 m，鉆孔垂高37 m，終孔位于材料大巷采空區內；2號鉆孔開孔方位角38.59°，目標方位角38.59°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度222 m，鉆孔垂高36 m，終孔位于運輸大巷采空區內；3號鉆孔開孔方位角32.67°，目標方位角32.67°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度276 m，鉆孔垂高41 m，終孔位于水倉內；4號鉆孔開孔方位角26.69°，目標方位角26.69°，開孔孔徑為133 mm，傾角11°，鉆孔長度324 m，鉆孔垂高43.7 m，終孔位于材料大巷采空區內。

2.3 鉆孔施工

1) 鉆孔施工向上爬升時，鉆孔軌跡大部分要穿過石灰巖，硬度系數f>12，在施工時，采用大扭矩馬達和專用硬巖鉆頭，要嚴格控制進鉆速度和鉆孔軌跡。

2) 在2-4號鉆孔要跨過運輸大巷，嚴格校驗導向磁偏角，在鉆孔鉆進時，控制好方位、傾角，避過巷道下部泥巖。

3) 鉆孔設計孔徑133 mm，施工工藝為一次成孔100 mm，二次擴孔成型。

4個鉆孔剖面圖如圖4所示。

圖4 騰暉原海圣巷道疏放水鉆孔剖面投影

3 鉆孔施工工序

3.1 移機定位

根據鉆孔設計要求和鉆機操作規程的規定將鉆機搬移至開孔位置，按照設計方位角和傾角固定鉆機，鉆機前方距離開孔點煤(巖)壁的距離不小于1.5 m，但不宜大于3 m，開孔高度不得小于1 m。

3.2 開孔和擴孔

移機定位完成后，即可進行開孔擴孔操作。鉆孔開孔之前，在開孔位置將網片剪開400 mm×400 mm的開口，便于下鉆開孔。VL1000鉆機使用D96 mm打鉆鉆頭和普通鉆桿采用旋轉鉆進方式直接開孔，然后用D190 mm擴孔鉆頭和普通鉆桿采用旋轉鉆進方式直接擴孔，開孔段長度11 m。

圖5 開孔段示意

3.3 封 孔

1) 下設止水套管。止水套管采用D159 mm×1.5 m的鐵制止水套管，連接方式采用絲扣式，依據《煤礦防治水規定》疏放水鉆孔超前距和止水套管長度，應當符合下列規定：①老空積水范圍、積水量不清楚的區域，近距離煤層開采的或者地質構造不清楚的區域，疏放水鉆孔超前距不得小于30 m，止水套管長度不得小于10 m；老空積水范圍、積水量清楚的疏放水鉆孔超前距和止水管長度，根據水頭值高低、煤(巖)層厚度、強度及安全技術措施等確定；②沿巖層疏放含水層、斷層和陷落柱等含水體時，按表1確定疏放水鉆孔超前距和止水套管長度。根據規定封孔長度為10 m。

表1 巖層中疏放水鉆孔超前距和止水套管長度

2) 注漿固孔。固管時使用水泥標號不低于525號，無變質、結塊現象，采用0.5∶1水泥漿封閉固結，48 h后進行耐壓試驗。

圖6 注漿示意

3) 耐壓試驗。根據《煤礦防治水細則》，在預計水壓大于0.1 MPa的地點探水時，預先固結套管，并安裝閘閥。止水套管應當進行耐壓試驗，耐壓值不得小于預計靜水壓值的1.5倍。孔口封孔管耐壓試驗，試驗壓力必須達到1 MPa，孔口管管壁及管口四周不漏水為耐壓試驗合格，否則，重新進行注漿，直至合格為止。

4) 安裝防噴裝置。耐壓試驗經驗收合格后，安裝好法蘭盤、水壓表、防水閘閥及反噴裝置(抗水壓3 MPa)，做好防突水準備后，改用D98 mm孔徑開始鉆進。

圖7 孔口防噴裝置

4 應用效果分析

經過巷道施工三個階段探放水，施工4個鉆孔，有效對采空區積水進行了疏放，自2018年11月12日至2019年2月3日，共疏放水量26 500 m3，采空區水壓自0.06 MPa下降為0 MPa，疏放期間單孔最大疏放水量210 m3/h，取得了良好的疏放水效果，消除了水害威脅，確保了三采區工作面安全施工，解放儲量268萬t。2019年2月，組織防治水隊對10號煤主運輸巷采空區疏放水情況進行驗證，驗證該采空區積水已疏干放凈，無水害威脅。