復雜條件下大水工作面的綜合水害防治技術應用

張亞南

（開灤集團 錢家營礦業分公司，河北 唐山 063301）

0 引 言

錢家營礦井共包括7 個含水層，其中直接充水含水層3 個，分別為第Ⅲ含水層（12-1煤層底～14煤層頂砂巖裂隙含水層）、第Ⅳ含水層（5 煤層底至12-1煤層頂含水層）、第Ⅴ含水層（5 煤層頂板砂巖裂隙含水層）。對礦井生產影響最大的是第Ⅴ含水層。1358 西頂板含水層為5 煤層頂板砂巖裂隙含水層。目前該含水層水位為-646.17～-231.08 m。從5 煤層向上依次分為3 段（ⅤA、ⅤB和ⅤC），富水性中等，局部較強，是礦井主要充水水源之一。已采工作面中最大涌水量達4.0 m3/ min（2075 東工作面），該含水層涌水量為0.060 3～0.228 L/（s·m），滲透系數為 0.095 ～4.526 m/d。水質類型為重碳酸鈉型或硫酸重碳酸鎂鈉型，工作面揭露該含水層涌水后沉淀乳白色膠狀物質。該含水層含水性不僅與巖性有關，同時也受補給條件和構造斷裂控制，整個含水層在井田范圍內具有典型的裂隙水特點。

1358 西工作面是錢家營礦首個傾向開采工作面，且下伏煤層已回采，經分析工作面區域地質及水文地質條件，采取超前疏放5 煤層頂板含水層、施工下探泄水工程和優化排水系統的綜合防治水技術，保證了大水工作面安全高效生產。

1 工程概況

1358 西工作面位于井田東翼三采區5 煤層，為傾向開采，傾斜上方1357 西已采畢，傾斜下方暫未設計工程。下伏7 煤層1378 西、2071 西、2072 西工作面已采完，下伏9 煤層1397 西、2091西工作面已采完，下伏12-1煤層2022 西工作面已采完。除此之外，暫無其它工程。 工作面標-632.2 — -589.5 m，工作面平均走向長171.4 m，傾斜長709.4 m，煤層厚度0.6 ～2.0 m，平均煤厚1.2 m，煤層厚度變化較大,工作面內部大部分區域煤厚小于1.3 m；煤層傾角1°～10°，平均6°。煤層走向N83°～N343°，工作面北部變化較大，呈向斜發育，南部較平緩。

1.1 地質概況

工作面地質構造簡單，回采過程中受褶曲、地質構造和頂板壓力影響，造成煤、巖層穩定性較差，易冒頂和劈幫。

工作面掘進時共揭露斷層9 條，落差0.5 ～1.1 m，其中1358 西-f1、f7 落差為0.7 m，受其影響，造成掘進時破板厚度增加，斷層附近頂板破碎、易冒落，其余位于切眼外部，對回采無影響；工作面內部大部分煤厚M＜1.3，局部存在M＜0.7 薄煤區，將造成回采過程中割頂、底板厚度增加，局部可能全巖。

1.2 水文地質概況

該工作面主要受5 煤層頂至A 層砂巖裂隙含水層影響，根據導水裂縫帶公式：±5.6，計算得出5 煤層導水裂縫帶高度為16.14 ～27.34 m，該工作面回采過程中，將導通5 煤層頂板含水層,5 煤層頂板含水層富水性中等，局部較強。工作面回采前337 m，下伏7 煤層無回采工作面，回采337 m 至外口下伏2072 西、2071 西、1378 西工作面已回采，由于下伏煤層采動影響，巷道掘進過程中此段裂隙發育且有淋水，風運道總淋水達到了0.4 m3/min，分析此區域裂隙含水，該工作面預計正常涌水量1.31 m3/min，最大涌水量1.97 m3/min。

2 綜合防治水技術

研究錢家營礦以往水害事故案例發現，造成水害事故主要是由于5 煤層頂板裂隙水引起的。5 煤層頂至A 層砂巖裂隙含水層Vc段在整個5 煤層頂板含水層中含水性最強，裂隙最發育，也最容易出現水害事故，該工作面正處在5 煤層頂板含水層VC段，需引起高度注意。結合該礦實際及多年防治水經驗，對5 煤層頂板水害治理通過超前疏放，將承壓含水層的水頭值降到安全水頭值以下；結合現有地形特點，通過向下伏煤層工作面施工泄水孔，減輕工作面泵排水壓力；最后優化排水工程，保證工作面安全高效生產。

2.1 超前施工疏水降壓工程

2.1.1 音頻電透視勘探

錢家營礦1358 西工作面音頻電透視采用120 Hz 和15 Hz 頻率探測。120 Hz 實際測量頂板深度0～50 m，共發現1 處相對低阻區，為1 號相對低阻區；15 Hz 實際測量頂板深度50 ～80 m，共發現1處相對低阻區，為1 號相對低組區（圖1）。

120 Hz 的相對低阻區分布：1 號相對低阻區位于運道120 ～180 m、風道220 ～240 m，范圍較大，連續性較好，相對富水性較強。

15 Hz 的相對低阻區分布：1 號相對低阻區位于運道80 ～180 m、風道120 ～130 m，范圍較大，連續性較差，相對富水性較弱。

圖1 1358 西音頻電透視成果平面Fig.1 Plane of 1358 west audio electro-fluoroscopy results

2.1.2 超前探查工程

根據礦井5 煤層頂板等水位線圖推測1358 工作面5 煤層頂板含水層水位-500 ～-640 m，推測目前該工作面5 煤層頂板含水層最大水頭高度為120.6 m，最大水壓1.18 MPa。

1358 西5 煤層含水層富水性探查工程共設計12 個鉆孔，根據1358 西工作面音頻電透視勘探成果資料分析決定，設計2、3、8、11 號孔主要對相對低阻區進行驗證（圖2）。

圖2 1358 西5 煤層頂板探查鉆孔總結平面Fig.2 Summary plane of 1358 X5 coal seam roof exploration drilling

1358 西共設計12 個鉆孔，實際施工10 個孔探查鉆孔，工程量905.4 m，5 號、6 號孔由于運道無法擺放鉆機等原因未能施工。工作面內施工2號、11 號孔對1 號50 ～80 m 相對低阻區進行驗證，其中2 號孔水量小于0.01 m3/min，11 號孔水量 0.05 m3/min。施工 3 號、8 號孔對 1 號 0 ～ 50 m相對低阻區進行驗證，其中3 號孔水量0.02 m3/min，8 號孔水量0.1 m3/min。出水鉆孔通過水質化驗結果分析，出水水源為5 煤層頂板含水層水，與礦井東部5 煤層頂板含水層水質類型相同，水質無異常。

截止回采前已累計放出水量24 968.8 m3，水壓由預測值1.18 MPa，下降至實測最大值0.45 MPa，承壓含水層的水頭值降到安全水頭值以下，符合安全回采條件。

2.2 施工泄水孔

為減少泵排水費用及人力物力的投入，通過分析下伏7 煤層老巷具備泄水條件，決定在運道施工下探泄水孔，保證工作面回采出水后能夠立即排出，確保防治水安全，該方法是在錢家營礦首次試用，工作面共施工4 個下探孔，總工程量134.2 m。回采過程中，通過在十采二中運斜石門觀測1358西下泄孔水量，發現水量由未施工的0.02 m3/min，逐步增大至0.6 m3/min，泄水效果明顯，工作面回采初期涌水量124 m 范圍內，涌水均通過泄水孔下泄至7 煤層老巷，采面涌水未對回采產生影響，由九采運斜石門排出，實現自流排水，極大地節省了人力物力，為回采創造了良好的水文地質條件。

2.3 優化排水工程

1358 西工作面風、運道總體上下山施工，但采面存在向斜構造，形成“兩邊高、中間低”的地形，采面中間有洼坑，遇到突發水量增大的情況非常容易造成淹礃事故，針對工作面實際情況，做了大量排水工程。

2.3.1 工作面排水工程

（1） 環形水倉。在運道Y13 點附近（洼坑）施工環形水倉，水倉外口小川內施工4 m×2 m×1.0 m 的沉淀池。

（2） 水溝。在工作面運道Y17 ～Y13 測點巷道挖設600×400 mm 的水溝202 m，水溝兩側碼砌煤袋子。

（3） 沉淀池。從運道Y17 ～Y13 測點前36 m，每隔50 m 挖1 個沉淀池，共計3 個沉淀池。

2.3.2 工作面排水設備及管路

（1） 1358 西工作面回采至Y17 測點之前，在切眼下口，設2 臺BQW50-100-37 kW 排沙泵（1臺使用，1 臺備用），回采至Y17 點后，2 臺泵移至環形水倉。

（2） 1358 西環形水倉處配備 3 臺 BQW50-100-37kW 排沙泵，2 臺使用，1 臺備用，雙電源、雙開關。

（3） 在 1358 西運道 Y13 測點后退 30 m 沿運道、運煤集中巷至三采下部平石門5 煤見煤點處鋪設2 趟φ108 排水管路，長1 140 m，共2 280 m。

（4） 從1358 西運道水倉外口（Y13 測點后退30 m 處） 沿切眼、風道至風道運料川鋪設1 趟DN-108-2 排水管，長960 m。

（5） 在三采下部平石門5 煤見煤點至-600 東大巷鋪設1 趟φ108 排水管路和1 趟φ219 mm 排水管，長740 m，共計1 480 m。

（6） 所有水泵出水口與排水管連接管管徑不得小于水泵出水口徑，必須保證其耐壓強度，以確保水泵正常排水能力。

2.3.3 工作面排水路線

回采每個區段均有至少2 種排水路線，使工作面排水有了多重保障。

（1） 切眼至運道Y17 點之間的涌水。

①運道—切眼—風道—1358 西運料川—三采下部平石門—-600 東大巷—-600 水倉—地面。

②運道—3 號鉆窩泄水孔—2072 西老塘—十采二中運斜石門—十采軌道山—-780 東軌道大巷—-850 東大巷—-850 水倉—-600 水倉—地面。

③運道—環形水倉—集中運煤巷—5 煤邊眼—三采下部平石門—-600 東大巷—-600 水倉—地面。

（2） 1358 西工作面運道Y17 點至Y11 點后退12 m 之間的涌水。

①運道—3 號鉆窩泄水孔—2072 西老塘—十采二中運斜石門—十采軌道山—-780 東軌道大巷—-850 東大巷—-850 水倉—-600 水倉—地面。

②運道—切眼—風道—1358 西運料川—三采下部平石門—-600 東大巷—-600 水倉—地面。

③運道—環形水倉—集中運煤巷—5 煤邊眼—三采下部平石門—-600 東大巷—-600 水倉—地面。

（3） 運道 464 m（Y11 點后退 12 m） 以外的涌水。

①運道—5 號鉆窩泄水孔—2072 西老塘—十采二中運斜石門—十采軌道山—-780 東軌道大巷—-850 東大巷—-850 水倉—-600 水倉—地面。

②運道—集中運煤巷—5 煤邊眼—三采下部平石門—-600 東大巷—-600 水倉—地面。

3 結 論

1358 西回采預計正常涌水量為1.31 m3/min，最大涌水量為1.97 m3/min，回采過程中，采面頂板只有少量滴淋水現象，水量0.01 m3/min，工作面總水量0.8 m3/min。

（1） 今后受5 煤層頂板水威脅的工作面應首先考慮疏水降壓。工作面回采涌水量與預計涌水量相差較大，主要原因為1358 西工作面上鄰1357 西工作面已回采完畢，下伏2072 西、2071 西、1378西工作面已回采完畢，對5 煤層頂板水進行了長期的疏放，再次在本工作面回采前對5 煤層頂板含水層水進行了有效的疏放。

（2） 具備條件的工作面應重點考慮施工下探泄水孔。在錢家營礦首次采用1355 西工作面泄水孔發揮了重要作用，工作面總涌水量的75%均通過泄水孔下泄至7 煤層工作面經十采二中運斜排出，降低了泵排水費用。

（3） 在不具備施工泄水巷的工作面，應考慮施工環形水倉。1358 西施工環形水倉，形成了緩沖空間，水量增大后不易造成工作面大面積積水，避免了在低洼點處，動水沖刷巷道造成的巷道淤積現象。