采空區探放水應用技術研究

孫 來

(晉能控股煤業集團 鐵峰煤業有限公司南陽坡礦，山西 朔州 036000)

礦井水害問題是我國煤礦開采中所面臨的主要災害之一[1-2]。突水災害發生的原因，一是當底板巖層的強度無法承受地下水的高壓作用時，地下水就會沖破底板巖層，涌入到采礦作業面；二是井下采空區大量積水，存在的導水裂隙帶與采空區貫通，導致空區水融入作業面，造成嚴重人員傷亡與經濟損失[3-4]。特別是采空區積水問題，存在短時突然爆發的可能，為此，在工作面回采過程中，需要對其涉及的采空區積水進行適時的探放，以消除采空區水害問題[5-6]。探放水方法是防治煤礦突水災害發生的主要防治手段，在煤礦開采中尤為重要[7-8]。文章以某煤礦上覆煤層存在的采空區積水為研究背景，對空區水探放方法進行了系統的研究，以實現礦山安全高效開采。

1 工程概況

某煤礦于1990年10月建井，2001年10月竣工投產，生產能力150萬t/a。根據礦方提供的資料，主采區地面標高+1 318～+1 420 m，井下標高+873～+940 m，位于該采區的15203與15201工作面主采15號煤層，煤層厚度3.63～7.35 m，平均5.32 m，采用綜采放頂煤開采工藝，礦井常規涌水量為78.5 m3/h，最大涌水量為174.6 m3/h。因多年的開拓、采掘，位于其上部的8號煤層目前已在井田的東部和中部形成較大面積的采空區。地下突水危險源主要來自于兩方面：①15201回風巷地表發育一條季節性河流，主要接受大氣降水補給，大氣降水下滲補給各含水層，主要以動儲量形式存在；②15201回風巷本煤層臨近15203回采工作面，該巷道上覆為8號煤層8201采空區，根據礦井水文地質補充勘探報告與地表瞬變電磁探測結果，砂巖層存在較強的富水區，面積約為358.92 m2，對于井下采煤有顯著的影響。通過對8號煤層采空區物探結果，8201采空區存在大量積水，對15號煤層工作面采掘具有一定威脅。為保障15號煤的安全開采，根據防治水工作原則，需要提前對8201采空區存在的大量積水進行探放，以消除突水危害。

2 垮落區及導水裂隙區高度確定

15號煤層15203工作面上部存在砂巖裂隙含水層，開采過程中實施全部垮落法進行頂板處理，回采過程中產生的垮落區以及導水區易與其上部的含水層和8號煤層采空區聯通，導致突水災害的發生，為此需要對以上兩個區域的高度進行確定，為8201采空區積水探放提供支撐。

綜采垮落區與導水裂隙區計算方法如下[9]：

垮落區高度：

(1)

導水裂隙區高度：

(2)

式中：m為煤層平均厚度，m。

15203回采作業面煤層厚度3.63～7.35 m，平均厚5.32 m，帶入公式(1)與公式(2)，通過計算得到垮落區高度為17.09～26.51 m，導水裂隙區高度為52.91～75.89 m，由于8號煤層采空區距離15號煤層15203作業面高度為63.5 m，可以看出，15號煤層開采后形成的垮落區與導水裂隙區高度已達到上覆采空區位置，有可能發生采空區突水災害風險，必須對采空區積水進行探放處理。

3 8201采空區積水探放方法

根據8號煤層采空區所在位置，南翼探巷進行探放水工程施工作業，該次共掘進2個探放鉆場，在巷道幫側共布置2個放水硐室(寬5 m、高5 m)，每個鉆場布置3個鉆孔，鉆孔平均距離為1.5 m，所布設的探放水鉆孔，一方面用作堵水，另一方面用作放水，鉆孔采用孔徑50 mm與150 mm的兩種鉆頭進行施工，前者用于鉆孔，后者用于擴孔，隨后鋪設15 m長、直徑100 mm的鋼管，鉆孔端部安裝有閘閥及測壓表，用來監測出水量及水壓，鉆孔參數見表1，每個鉆場內鉆孔位置及其布置方式見圖1。

表1 鉆孔參數

圖1 鉆場探放水孔布置形式

為實現監測鉆孔的止水作用，需要裝設止水套管，結構見圖2。

圖2 止水套管結構

套管與孔壁間使用封堵袋堵塞，即采用礦用注漿泵往封堵袋內加灌水泥料漿來堵塞與加固套管。為避免出水壓力過大造成套管脫落，還應該在套管所在位置的壁面中打錨桿來進行加固，隨后來完成清掃鉆孔作業，最后進行鉆孔耐壓試驗。當水壓值為出水壓力的1.4倍左右穩定30 min。管口周邊未出現漏水，說明滿足探放水要求；反之需要繼續灌漿加固，直至不漏水為止。

通過現場對不同鉆孔進行采空區涌水量監測，結果見表2。發現不同的監測鉆孔均存在不同的涌水情況，總涌水量為42.9 m3/h，監測結果進一步表明8201采空區含有大量積水，需要及時疏放。

表2 鉆孔涌水量

4 現場探放水效果

通過現場對8201采空區內部積水進行持續探放，待所有鉆孔完成探放并封堵后，通過統計共放出水量約為18 654.7 m3。各鉆孔探放水累加量隨探放時間的變化情況見圖3。

圖3 疏放水量隨時間變化情況

隨著探放時間的增加，放出水總量呈“S”型變化趨勢，主要分為三個階段，即初期緩慢增加階段、中期快速增加階段與后期平穩階段。由于在探放水初期，部分導水鉆孔中含有雜質而沒有完全貫穿，這一時期探放水量增加緩慢；隨著中期鉆孔在水壓作用下完全打通，涌水量迅速增加，這一時期在整個探放水過程中發揮主導作用；隨著采空區內積水的不斷減少，到后期總水量基本保持恒定，說明采空區內積水已基本疏放完成，不構成采空區涌水風險。

1號、3號及5號鉆孔水壓隨探放水時間的變化情況見圖4。整個探放周期內可以看出，隨著探放水時間的增加，水壓呈現波動變化特征。探放初期(0～6 d)，水壓降低速率較小，其中，在第3天出現了水壓反彈增加的情況，說明此階段鉆孔并未被水流完全貫通，初期最大水壓達1.85 MPa；探放中期(7～12 d)，水壓變化呈現為降低—增加—降低變化特征，其中，在第11天出現了明顯的水壓反彈增加，這一階段表明在探放水11 d后鉆孔完全貫通，孔內雜質已被排除，隨著空區內水量的減少，水壓開始降低，中期水壓最高達到1.27 MPa；在探放后期(13 d以后)，水壓迅速降低，平穩后水壓約為0 MPa。值得注意的是，1號與3號鉆孔探放水時間為21 d，5號鉆孔為24 d。造成不同鉆孔探放水時間不同的原因可能與5號鉆孔所在的位置偏低有關。整個探放周期結束后，各鉆孔水壓均降為0 MPa，說明8201采空區積水已探放完成，有效保障了15號煤層15203作業面的安全回采。

圖4 鉆孔水壓隨時間變化情況

5 結 語

1) 通過對某煤礦15203回采作業面垮落區及導水裂隙區高度確定，得到垮落區高度為17.09～26.51 m，導水裂隙區高度為52.91～75.89 m，總發育高度達到了上覆8號煤層8201采空區高度值，有可能發生采空區突水災害風險，必須對采空區積水進行探放處理。

2) 通過對8201采空區內進行鉆孔探放水研究，隨著探放時間的增加，放出水總量呈“S”型變化趨勢，主要分為初期緩慢增加、中期快速增加與后期平穩三個階段，探放水總量達18 654.7 m3；通過現場水壓監測，整個探放水過程中，水壓由初期的1.85 MPa降為最終的0 MPa。表明文章提出的探放水方法有效可行，保障了其下部15號煤層15203作業面的安全高效開采。