小煤柱沿空掘巷疏放采空水關鍵技術及應用

李 忠

（晉能控股煤業集團潞安煤炭事業部，山西 長治 047500）

目前，小煤柱沿空掘巷已在多數煤礦應用。然而，小煤柱沿空掘巷不可避免會受同層采空區積水影響。采空區突水具有時間短、水量大、破壞性強等特點，因此，煤礦采空區積水疏放是礦井防治水的重要任務[1-2]。

1 工程概況

同發東周窯井田位于山西省左云縣，井田面積101.412 9 km2，礦井生產能力1000 萬t/a，礦井服務年限為65 a。可采煤層有山4、5、8-1、8-2 號，煤質以長焰煤為主。井田地質構造復雜，水文類型為中等。目前主要開采煤層為山4 號層、C5 號層。

以山4 號層5103 沿空掘巷為研究背景，巷道西側為山4 號層8102 工作面采空區，5103 巷和2102巷間隔6 m 保護煤柱。由于小煤柱沿空掘巷煤柱距離較近，存在采空區積水涌出威脅巷道安全的可能，因此防治水是巷道掘進過程安全保障工作中一項極其重要的工作。

2 小煤柱沿空掘巷水患分析

礦井有3 層含水層，自上而下主要有：①第四系松散層含水層；②石炭-二疊系碎屑巖含水層；③寒武-奧陶系巖溶裂隙含水層。較穩定的隔水層有石炭系本溪組鐵鋁質泥巖隔水層以及第三系黏土隔水層。

5103 小煤柱掘進巷道主要水患威脅為相鄰采空區積水及頂板砂巖弱含水層淋水。

1）頂板弱含水層。山4 號煤層距頂板K8 砂巖含水層21.60～36.01 m，平均28.81 m，K8 砂巖以中粗砂巖及含礫砂巖為主，屬弱含水層。

2）同層采空區積水。相鄰工作面回采后頂板垮落，頂板含水層水長時間涌出會造成采空區低洼處大量積水，且采區無泄水巷，工作面回采后會形成大量積水而無法疏放，對沿空掘巷構成水害威脅。

3） 工作面山4 號煤層距上覆侏羅系層間距280～300 m，正常情況下導水裂隙帶波及不到上侏羅系采空區，因此上覆小窯積水對工作面采掘無影響。

綜上所述，相鄰采空區積水為影響沿空掘巷防治水安全的主要因素。掘進過程中需“逐步解壓、循環放水”，超前疏放同層積水，同時配備完善的排水系統，確保巷道安全掘進。

3 采空區積水參數的確定

3.1 采空區積水分析

由于煤層傾角、斷層、褶皺等因素，造成工作面兩巷掘進存在坡度起伏變化，工作面回采后涌水積于低洼區域，形成大面積采空區積水。

5103 巷掘進里程600～1200 m 整體呈背斜趨勢，局部伴生寬緩的波狀起伏及斷層，造成相鄰8102 工作面采空區低洼地段匯集積水。通過工作面標高及已施工探孔情況，分析積水標高從而確定積水范圍及積水形態。工作面布置圖及采空區積水圖如圖1 所示。

圖1 山4 號層5103 巷布置圖及相鄰采空區積水形態圖

3.2 工作面采空區積水量確定

對礦井及周邊礦井采空區積水量進行統計，分析總結采空區充水系數，見表1。

表1 同發東周窯礦采空區充水系數表

利用梯形法計算采空區積水量[3-4]，公式如下：

式中：W為采空區積水量，m3；K為采空區充水系數；M為工作面采高，m；S為采空區積水面積，m2；α為煤層傾角。

5103 巷為例，K取0.3；相鄰8102 采空區積水面積S取125 529 m2，采高M取5.0 m；煤層傾角α取2°，利用公式計算采空區積水量為226 262 m3。

4 小煤柱沿空掘巷防治水技術

4.1 采空區積水“安全高度”

巷道進行疏放水工作時，首先需確定積水安全高度。根據水平壓力防水煤柱留設公式[5]，得出采空區積水“安全高度”計算公式。

式中：H為小煤柱沿空掘巷采空水安全高度；a為防水煤柱寬度；Kp為煤層抗拉強度。K為安全系數(一般取2～5)；L為巷道寬度；n為標準大氣壓水柱高度系數，103.36 m/MPa；a為煤柱寬度6 m；K取安全系數5；L為巷道寬度5 m；Kp為煤層抗拉強度1.0 MPa。代入公式計算H為0.794 m，即相鄰采空區積水安全高度為5103 巷底板上0.794 m。

針對采空區積水“安全高度”，分析如下：

1）當采空區積水水位高度小于0.794 m 時，巷道正常掘進。

2）當采空區積水水位高度大于0.794 m 時，巷道存在水害危險，必須停止掘進，采取疏水措施，待排水后水位下降到安全高度巷道方可掘進。

4.2 小煤柱沿空掘巷疏水技術

巷道施工時嚴格執行“有掘必探、先探后掘”制度，掘進時向采空區施工探孔，利用水位計實測采空區水位高度，結合掘進巷道標高計算采空區側相對水位高度。當采空區積水高于掘進巷道水位安全高度，必須停掘放水；待采空區積水低于安全高度時，方可恢復掘進。

在巷道幫部直接探放水不僅不安全，而且影響正常掘進施工，為此，確定采用“水倉疏放為主、迎頭短探為輔”的方式進行探放水。

4.2.1 疏放采空區積水

巷道掘進至臨近采空區積水區時，在巷道非小煤柱側開設水倉，一般規格為長4 m×寬4 m×深3m，采用專用探放水鉆機打孔疏放采空區積水，布置6～8 個鉆孔，鉆孔布置在水倉內部，方位角為垂直煤柱，鉆孔傾角、長度依據實際情況“一孔一策”。

以5103 巷700 m 水倉處探測方案為例，設計6個疏水鉆孔，開孔位置均位于水倉底板上0.5 m。為保證水倉完整、防止探孔塌孔，探孔間距為0.5 m。為施工便捷，鉆機選用ZLJ-700 型鉆機，鉆桿直徑42 mm，鉆頭直徑94 mm。預計單孔放水量大于10 m3/h的探孔必須安裝止水套管（長度大于2 m）。鉆孔施工時在孔口安裝三通，一端連接排水管路，在管路上安裝雙閥門，有效控制放水量，另一端為鉆機施工鉆孔，在孔口安裝防水檔板，防止水壓大傷人，并減少水量泄露淹沒施工鉆機。

施工剖面示意圖如圖2 所示，具體參數見表2。

圖2 山4 號層5103 巷水倉鉆孔放水剖面示意圖

表2 疏水鉆孔施工參數

4.2.2 掘進過程探測保障措施

在正常的探放水循環下補充短探措施，每掘進5 m 布置1 個鉆孔對相鄰采空區積水進行探測，鉆孔布置在工作面迎頭右幫距離巷道底板0.5 m 處，垂直煤柱施工探水孔，探孔必須穿透隔離煤柱進入采空區，如圖3 所示，具體參數見表3。

圖3 掘進迎頭探測鉆孔示意圖

表3 掘進迎頭探測鉆孔參數表

鉆孔見空無出水時，立即用樹脂藥卷加水泥對鉆孔進行封堵；鉆孔出水時，確認水位標高并在相同位置距離巷道底板0.8 m（安全高度）處補充施工1 號補探孔，鉆孔孔深、方位角、傾角同1 號鉆孔，若鉆孔不出水立即對鉆孔進行封堵；若1 號補探孔出水則巷道停止掘進，對采空區積水繼續進行疏放，確保相鄰采空區積水高度小于積水安全高度。

4.2.3 完善排水系統

計算單孔出水最大流量，確定每循環施工疏放水孔數，根據疏放水量及高差進行排水設備、設施選型。

基于伯努利方程修正的單孔出水最大流量計算公式：

式中：q為單孔出水量，m3/h；ω為鉆孔斷面積，m2。D為鉆孔直徑，m。g為重力加速度，9.81 m/s2。H為鉆孔出口處水頭高度，m。L為探放水鉆孔孔深，m。λ為水頭沿程阻力系數，0.02。

計算5103 疏放水孔，H依據實測取4 m，L為孔深11.2 m，帶入計算單孔最大涌水量為29.7 m3/h。

巷道依據單孔最大涌水量提前完善排水系統。在原有6 寸排水管路基礎上，增設3 趟6 寸排水管路，配備5 臺流量不低于80 m3/h 的大功率水泵，設置水泵備用開關及電路，確保排水系統能力足、穩定性高。

水倉最大排水能力達400 m3/h，遠大于鉆孔最大排水量29.7×6=178.2 m3/h，排水能力滿足要求。

4.3 小煤柱沿空掘巷防治水實施效果

按照上述開挖水倉，在水倉內施工放水孔的方式，對5103 巷疏放相鄰采空區積水。在施工鉆孔及放水過程中重點檢查探孔施工質量、排水系統的完好性及排水能力、放水效果和實測放水量等情況，確保現場科學有效施工。水倉疏放水現場如圖4 所示。

圖4 水倉疏放水現場圖

山4 號層5103 巷具體疏放效果如下：

1）巷道里程740 m 水倉，內部共施工8 個放水鉆孔，已不出水，累計放水量15 684 m3。

2）巷道里程760 m 水倉，內部共施工8 個放水孔，已無水，累計放水706 h，共計放水量5 186 m3。

3）里程780 m 水倉，內部共施工6 個放水鉆孔，已不出水，累計放水672 h，共計放水量11 385 m3。

4）里程811 m 水倉，內部共施工9 個放水鉆孔，已不出水，累計放水1 022 h，共計放水量47 702 m3。

5）里程840 m 水倉，內部共施工10 個放水孔，已不出水，累計放水962 h，共計放水量63 177 m3。水倉配備1 臺37 kW，1 臺45 kW 水泵，共有2 趟排水管路。

6）里程874 m 水倉，內部共施工6 個放水鉆孔，實測出水量合計18 m3/h，累計放水535 h，共計放水量34 962 m3。水倉配備2 臺37 kW 水泵、3 臺45 kW水泵，共設置3 趟排水管路。

5103 巷累計放水量202 779 m3，疏降水位18 m，每循環均將采空區積水疏放到“安全高度”下。5103 小煤柱沿空掘巷經過科學疏放采空水，有效解除水患，為巷道掘進及回采提供有效安全保障。

5 結 語

1）通過工作面實測標高及已施工探孔數據，分析積水標高，從而確定積水范圍及積水形態，應用梯形法采空區積水量公式計算采空區積水量，其預計的采空區水量與實際疏放水量基本一致。

2）提出采空區積水“安全高度”理論，即高于“安全高度”時，巷道立即停止掘進，采取水倉施工鉆孔放水法，探放采空積水。

3）水倉施工鉆孔放水法可最大程度排水、最短時間降低水位。此外，在水位下降到安全高度后巷道迎頭可正常掘進，放水鉆孔止水套管及閥門、排水管路等不影響掘進設備的運行。與巷道幫部放水法相比，具有疏水時間短、疏放效果好、影響時間短、排水系統可靠等優點，有效排解水患，為采掘接替和礦井安全、高效建設提供了治理經驗。