極近間距煤層上覆采空區探放水方法分析研究

（西山煤電股份有限公司西銘礦 山西 030052）

1.引言

近些年，西山煤田多數礦井由于高強度的開采，上組煤已經逐漸開采完畢，轉而進行下組煤層的開采。以西銘為例，井田內可采煤層有2#、3#、8#、9#煤層，其中二疊系下統山西組2#、3#煤層基本開采完畢，而石炭系上統太原組8#、9#煤層為礦井主力開采煤層，當上覆8#煤層開采結束，進行開采下部9#煤層時，受到了上部8#煤層采空區積水的影響，必須進行超前探放水，但由于8#與9#煤層的層間距僅有1.5m～3.3m，屬于極近間距煤層群。為避免采空區積水不能徹底探放，在掘進過程中頂板裂縫積水潰入工作面，造成突水事故，為此，根據工作面存在的這一特點，進一步優化探放水方案，決定采取多種探測方法相結合方式進行探放水，保證工作面的安全掘進、回采。

2.工作面概況

(1)工作面地質概況

工作面上覆為8#煤層48709工作面采空區，8#與9#煤層間距1.5m～3.30m；工作面軌道巷、皮帶巷為梯形斷面，工字鋼架棚支護；探放水孔施工區域9#煤層厚度為2.7m～3.9m，質軟。所穿9#煤層偽頂頁巖，節理發育，破碎容易冒落；直接頂為細砂巖，質硬，灰白色～灰色，近水平層理，含有黃鐵礦，頂上有薄層頁巖、砂質頁巖，局部底部相變成砂質頁巖。

據上覆8#煤回采資料推測，掘進中將揭露斷層15條，其中落差大于1.0m斷層11條；軌道巷掘進中將揭露陷落柱X9865，陷落柱周邊煤巖層裂隙發育，松軟破碎。

(2)工作面水文地質概況

工作面上覆為8#煤層48709采空區，開采時間為2015～2017年，開采方式為綜采，采高3.5m，一方面工作面回采后受大氣降水通過采動裂縫補給，在采空區的低洼處形成大面積的積水，另一方面受8#煤層的采動破壞，上覆含水巖層的裂隙水通過采動裂隙進入采空區，是積水的主要補給來源。

3.工作面積水量估算

通過測定積水壓力，圈定積水區范圍，老空區積水量估算采用類比分析估算法，可用下列公式計算：

Q=KFM/cosα

式中：Q—積水量，m3；

K—充水系數，取0.3；

F—采空區積水水平投影面積，m2；

M—采空區平均采高，m；

α—煤層傾角。

根據標高1016m圈定的積水范圍面積為46772m2，48709開采高度為H=3.5m，根據上面公式可得到：

Q=0.3×46772×3.5/cos5°=85636m3

4.上覆采空區探放水技術研究

第一，首先堅持“物探先行，化探跟進，鉆探驗證”的防治水原則對工作面進行超前物探，工作面每掘進90m施工超前物探，查找低阻異常區。

第二，對工作面進行有掘必探，按照要求對工作面順層進行鉆探，鉆孔深度設計75m（即長探），前方控制30m，工作面左右兩側控制20m，主要探查工作面附近的地質構造及地質異常體賦存情況，防止導水情況發生。

第三，對上覆采空區進行施工探放水鉆孔，可參考物探探測成果進行布置探放水鉆孔，探放水鉆孔成組布置，設計孔深11～25m（即短探），可進行鉆孔相互驗證，必要時施工驗證鉆孔，保證積水疏放干凈。

第四，采用錨桿鉆機，掘進中每班對頂板垂直施工鉆孔，首先探測工作面頂板上方積水情況，保證不頂水作業，避免發生突水事故；其次，探測頂板的厚度變化情況，為掘進中頂板支護提供決策依據，為后來工作面回采兩端頭超前維護提供數據參考。

(1)井下工作面物探

①基于多種干擾因素存在下的物探施工及異常區的判定

由于8#與9#煤層間距極近，工作面采用全架棚支護，棚間距0.6m，物探背景場受金屬棚梁干擾，以下為幾個物探關鍵點：

A.在現場施工時，將電阻率值相差較大的測點刪除，重新探測，直至電阻率值趨于一致，方可進行下一測點數據采集。

B.對采集的原始探測數據進行預處理。將衰減異常的以及視電阻率值突變的歸一化曲線刪除。

C.對疏密變化較大的多測道曲線進行重新處理。

D.根據重新處理的曲線進行兩種方式的濾波，并形成成果圖。

②49709軌道巷9月20日超前物探成果（見圖1、圖2）

圖1 探測工程平面圖

圖2 探測成果示意圖

通過對成果圖進行分析：順層方向與頂板方向都顯示不同程度的低阻異常現象，低阻異常位于左側方向，前方20m～120m位置，頂板方向低阻異常是由于上覆采空區內充滿積水引起的，順層方向低阻異常是由于上覆采空積水通過頂板裂隙滲入煤層導致煤層裂隙充水引起的。

(2)探放水鉆孔設計

針對物探探測成果，對低阻異常區方向進行施工探放水鉆孔，鉆探位置為49709軌道巷測6#前59m處，目的為探放工作面上覆8#煤采空區積水，本次鉆探共設計2個探放水鉆孔，2個探放水效果驗證鉆孔，鉆孔方位偏左15°，設計為320°，鉆孔傾角+10～15°，設計孔深11～25m，如鉆孔未打通采空區，視情況補充鉆孔1～2個，鉆孔參數同設計鉆孔一致。

探放水結束后，設計每班（每隔6米）使用錨桿鉆機垂直頂板施工探孔，探測頂板厚度及采空積水情況。

(3)探放水效果

2020年10月20日～22日在49709軌道巷掘進至測6#前59m位置，共施工6個探放水鉆孔，打通采空區，且鉆孔出水，此次探放水約3200m3，水位垂高下降0.5m，水位線向前退15m，在允掘范圍內向頂板施工鉆孔驗證，鉆孔不出水，則頂板上方沒有積水，沒有頂水作業，從而保證了軌道巷不受水患威脅。

5.結論

（1）瞬變電磁法在處理數據時，其正演模擬和反推計算效果一般，發射信號及接收信號易受大型金屬設備等的濾除，現場判斷采集數據存在問題時，需首先對數據進行分析，對錯誤數據進行剔除，然后進行預處理，數據處理所采用的軟件、方法對結果影響很大。

（2）采用多種探測方式探放近距離8#煤層采空積水是很好的辦法，如此不僅排除了8#煤層采空積水，防止在49709軌道巷掘進過程中由于頂板疏漏而淹沒工作面，還為掘進采煤期間的支護提供準確的頂板厚度數據。