燕子山煤礦沿空掘巷采空水綜合防治技術(shù)研究

程帥

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037037）

1 概 況

1.1 工作面情況

燕子山煤礦5208巷位于4號(hào)煤層302盤區(qū)，4號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度穩(wěn)定，煤層厚度為5.12～9.34 m，有7～9層0.12～1.18 m的夾石，平均厚度0.45 m，全厚為7.80～11.47 m，煤層屬厚煤層，煤層大致走向東西，傾向北，傾角為2°。

煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Roof and floor structure of coal seam

5208巷服務(wù)于8208回采工作面，作為回采期間的回風(fēng)和輔助運(yùn)輸巷，設(shè)計(jì)走向長度2 698 m。5208巷井下位于4號(hào)煤層302盤區(qū)，西部為4號(hào)煤層可采邊界線，南部為8206設(shè)計(jì)工作面，東部為4號(hào)煤層盤區(qū)巷，北部為8210回采工作面。由于5208巷與8210工作面小煤柱設(shè)計(jì)間隔只有5 m，施工5208巷與8210工作面煤柱側(cè)存在超挖不足5 m的情況，再加上開采動(dòng)壓，造成巷壁圍巖疏散，可能使8210采空區(qū)的積水竄入5208巷，掘進(jìn)時(shí)需加強(qiáng)探放水，并進(jìn)行提前治理。

1.2 水文地質(zhì)條件

5208巷掘進(jìn)區(qū)域水文地質(zhì)類型為中等，煤巖層含水微弱，含水系數(shù)0.1。最大涌水量為0.013 9 m3/min，正常涌水量為0.006 94 m3/min。

（1）含水層水。

4號(hào)煤層上覆有永定莊砂巖裂隙含水層和大同組層間裂隙含水層及山西組底部K3砂巖裂隙水，K3砂巖距4號(hào)煤層底部3.0～10 m，巖性為灰白色砂礫巖為主，膠結(jié)較為疏松，有水蝕痕跡和氧化銹斑。

（2）奧灰水。

根據(jù)《燕子山突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告》，4號(hào)煤層下伏有寒武承壓水，突水系數(shù)0.017～0.024 MPa/m，屬于帶壓安全開采區(qū)域，但是仍然要嚴(yán)防存在大斷層、陷落柱導(dǎo)通寒武承壓水的情況。

（3）相鄰采空區(qū)積水。

該掘進(jìn)工作面對(duì)應(yīng)上覆11、14-2、14-3號(hào)煤層小窯破壞區(qū)及馬脊梁礦301、303、305盤區(qū)采空區(qū)，預(yù)計(jì)低洼處存有積水，其與上覆11號(hào)煤層層間距198 m，14-2號(hào)煤層層間距176 m，14-3號(hào)煤層層間距168 m，需加強(qiáng)淋水觀測(cè)。

工作面按照小煤柱設(shè)計(jì)，與相鄰8210采空區(qū)間隔5 m，采空區(qū)低洼處積水，掘進(jìn)期間受該采空區(qū)積水影響。

1.3 工作面周邊構(gòu)造

根據(jù)相鄰2210巷掘進(jìn)情況分析，預(yù)計(jì)5208巷1 150 m、2 161 m處分別揭露落差2.20 m、1.50 m正斷層，對(duì)掘進(jìn)影響較大；預(yù)計(jì)5208巷掘進(jìn)至1 037 m處揭露1處巖墻，影響范圍10 m；預(yù)計(jì)5208巷2 538～2 738 m受巖漿巖侵入影響，煤層會(huì)變薄。地質(zhì)構(gòu)造具體情況見表2。

表2 地質(zhì)構(gòu)造情況Table 2 Geological structure condition

2 水文地質(zhì)勘查

2.1 勘查原理

為分析8210采空區(qū)的水文地質(zhì)特征，在煤層底板采用瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行綜合探查。瞬變電磁法是指通過接地線源在地下探測(cè)區(qū)域內(nèi)制造一次脈沖磁場(chǎng)，脈沖磁場(chǎng)遇到地下含水區(qū)等異常介質(zhì)時(shí)會(huì)引發(fā)二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，然后通過低敏電極線圈接收渦流場(chǎng)，觀測(cè)異常介質(zhì)電阻率的一種方法。

瞬變電磁法的探測(cè)原理如圖1所示，地下異常介質(zhì)引發(fā)的二次渦流場(chǎng)呈環(huán)帶形依次分布。二次渦流場(chǎng)的強(qiáng)度主要與地下介質(zhì)的電阻率相關(guān)，當(dāng)脈沖磁場(chǎng)遇到正常且完整性較好的巖層時(shí)，其電阻率一般較高，激發(fā)的渦流場(chǎng)強(qiáng)度偏低；當(dāng)脈沖磁場(chǎng)遇到巖層富水時(shí)，其電阻率相對(duì)較低，激發(fā)的渦流場(chǎng)強(qiáng)度較高。因此，可通過接收的二次渦流場(chǎng)強(qiáng)度特征，反演出地下低電阻率區(qū)域的分布情況，推斷出地下構(gòu)造及含水情況。

圖1 瞬變電磁法的探測(cè)原理Fig.1 Exploration principle of transient electromagnetic method

2.2 勘探結(jié)果分析

根據(jù)8210工作面回采時(shí)的揭露情況，8210采空區(qū)的底板高度由開切眼至回撤通道呈逐漸降低的趨勢(shì)，8210運(yùn)輸巷的底板標(biāo)高為933—945 m，8210回風(fēng)巷的底板標(biāo)高928—940 m，運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷的最低點(diǎn)距回撤通道分別為1 200 m、900 m。根據(jù)8210采空區(qū)底板起伏情況并結(jié)合瞬變電磁探查結(jié)果，繪制出8210采空水3D曲面流場(chǎng)，如圖2所示。根據(jù)3D曲面流場(chǎng)將采空區(qū)積水劃分為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)3個(gè)重點(diǎn)積水疏放區(qū)，如圖3所示。

圖2 采空水3D曲面流場(chǎng)Fig.2 Three dimensional surface flowfield of goaf water

圖3 8210采空區(qū)積水劃分Fig.3 Water division of No.8210 goaf

1號(hào)積水區(qū)的積水面積約為133 315 m2，最大積水高度為6 m，預(yù)計(jì)積水量為8.79萬m3；2號(hào)積水區(qū)的積水面積約為182 160 m2，最大積水高度為1.5 m，預(yù)計(jì)積水量為12.14萬m3；3號(hào)積水區(qū)的積水面積約為87 201 m2，最大積水高度為2 m，預(yù)計(jì)積水量為5.72萬m3。

3 采空區(qū)水害綜合防治技術(shù)

3.1 探放水技術(shù)

在5208巷1、2、3號(hào)積水區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行疏放水施工，每個(gè)積水區(qū)循環(huán)施工7個(gè)放水鉆孔，鉆孔開孔位置距底板0.5 m，開孔孔徑為127 mm，下入108 mm的護(hù)壁套管，并用水玻璃及水泥漿進(jìn)行封堵處理；終孔孔徑為89 mm，下入74 mm的護(hù)壁套管，終孔向采空區(qū)內(nèi)延伸3 m，鉆孔最前端為1 m的濾水管。放水鉆孔的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 放水鉆孔的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of drainage drilling hole

3.2 鉆孔放水情況

以2號(hào)積水區(qū)疏放水情況為例，7個(gè)鉆孔終孔總水量為500 m3/h，詳見表3。

表3 放水鉆孔參數(shù)Table 3 Parameters of drainage drilling hole

在疏水期間，實(shí)測(cè)采空區(qū)水位高度為1.5 m，在放水初期的疏水量為173 m3/h，2個(gè)多月后的疏水量下降至34 m3/h，隨后由于鉆孔透孔，疏水量上升至64 m3/h，后下降至33 m3/h。采空區(qū)水位高度由1.5 m逐漸下降至0.8 m，并保持平穩(wěn)不再變化，說明采空區(qū)靜態(tài)儲(chǔ)存水基本疏放徹底，水位高度低于1 m，達(dá)到了采空區(qū)積水疏放標(biāo)準(zhǔn)，無需增加疏水鉆孔數(shù)量。具體放水情況如圖5所示。

圖5 2號(hào)積水區(qū)疏放水情況Fig.5 The situation of drainage in No.2 water accumulation area

3.3 先放水后掘進(jìn)

掘進(jìn)前先進(jìn)行鉆孔疏放水，待采空區(qū)整體水位低于局部水位且局部水位低于1 m時(shí)方可開始掘進(jìn)施工。5208巷沿4號(hào)煤層底板掘進(jìn)，4號(hào)煤層存在較寬泛的褶皺，根據(jù)8210工作面2210巷的揭露情況，5208巷在掘進(jìn)時(shí)存在底板標(biāo)高較低的地方，掘進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，若采空區(qū)局部水位高于1 m，需停止掘進(jìn)并加設(shè)鉆孔進(jìn)行疏放水，待水位低于1 m后繼續(xù)掘進(jìn)，做到先探、后放、再掘的施工工藝。

巷道掘進(jìn)過程中，在巷道工作面?zhèn)冗x擇低洼處及有上覆探放水處施工水倉，規(guī)格為3 m（長）×2 m（入深）×2 m（高），其中底板下挖深1.5 m。采空區(qū)內(nèi)的疏放水先排入水倉，后由水泵加壓，經(jīng)φ108 mm管路排放至山4號(hào)煤層盤區(qū)軌道巷水溝。正常情況水泵功率5.5 kW，涌水增大時(shí)用大功率水泵排水，排水能力60 m3/h。

3.4 小煤柱注漿加固

由于小煤柱寬度僅為5 m，且部分區(qū)域存在超挖現(xiàn)象，在采掘應(yīng)力的擾動(dòng)下，煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較高，容易發(fā)生采空區(qū)水滲出甚至煤柱倒塌的事故，為提高煤柱的穩(wěn)定性及隔水性，需對(duì)其進(jìn)行注漿加固。

注漿漿液選用高水速凝材料，水灰比為1∶1.5，該材料具有凝結(jié)速度快、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，28 d后的單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到9.6 MPa。一般軟巖的破碎范圍為1.0～1.5 m，考慮到過深的注漿孔會(huì)聯(lián)通采空區(qū)，因此注漿深度選擇2.0 m。注漿終孔壓力為1～1.5 MPa，間距為1.0 m，采取間隔式交替注漿。

為消除隔離小煤柱裂隙，注漿結(jié)束后對(duì)巷道中線至小煤柱側(cè)實(shí)施噴漿，小煤柱幫噴漿厚度宜為80～100 mm，初噴不得滯后于工作面50 m，復(fù)噴不得滯后于工作面100 m。

小煤柱注漿及巷幫噴漿均在積水區(qū)范圍內(nèi)施工，其他區(qū)域正常掘進(jìn)。

4 結(jié) 論

（1）通過瞬變電磁法對(duì)燕子山煤礦8210采空區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行了勘查，根據(jù)勘查結(jié)果將采空積水區(qū)劃分為3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域。

（2）基于采空區(qū)的積水區(qū)劃分及其特征，提出了疏水鉆孔放水及小煤柱注漿加固的綜合水害防治技術(shù)，保證了工作面的安全生產(chǎn)。