沿空下山掘進水害防治技術實踐

黎偉明，王亞莉

(甘肅靖遠煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730910)

紅會礦區位于靖遠煤田東南端，毗鄰大寶礦區，水文地質條件較為復雜。區內共有五個含水層，自上而下為第四系洪積潛水層、中侏羅統新河組含水層、煤層頂板含水層、一層煤底板含水層、煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層五個含水層，煤層頂板含水層為主要充水含水層，巖性為砂巖，厚度29.9 m.通過開采實踐表明[1],受采動影響，煤層上覆巖層發生斷裂，導水裂隙帶高度達到中侏羅統新河組含水層，形成導水通道，造成采空區內存有大量的積水且一直有動態水補給。隨著開采水平的延伸，采空區積水給傾斜下方掘進帶來重大水災隱患。紅會一礦通過長期的摸索和實踐，形成一套沿空下山掘進水害防治技術，能夠有效地緩解礦井采掘接替緊張，提高資源回收率，已在七采區1704工作面及其他區域得到應用。

1 工程背景

1.1 工程概況

紅會一礦1704工作面位于七采區東南部，含煤地層為侏羅系中統(J2).煤層賦存趨勢東南較低北部較高，煤層結構復雜，煤層底板以上2.0～2.5 m處發育一層夾矸，巖性為粉砂質泥巖，厚度在0.1～0.4 m之間。1712、1710、1708、1706、1704工作面由西向東呈臺階式布置，1704工作面位于最低處，該工作面回風巷設計736.0 m，走向掘進坡度-2°～-8°，平均-6°，傾斜上方為1706工作面采空區。1704工作面布置平面示意如圖1所示。

1.2 相鄰采空區積水情況

1706工作面采空區積水分布及積水情況清楚，積水范圍根據現機道密閉出水點圈定的積水區域面積為117 000 m2，積水標高+1 404.2～+1 363.4 m,采空區積水量按照公式(1)確定[2]：

圖1 1704工作面布置平面示意

(1)

式中：Q為采空區積水量，m3；K為采空區充水系數(0.25～0.5)，取0.4；M為采厚，取平均采厚8.3 m；F為采空積水區的水平投影面積，m2；α為煤層傾角,取平均傾角6°.

初步估算出1706綜放工作面采空區積水約39.1萬m3.若1706工作面水患不消除，1704工作面被迫劃為緩采區甚至禁采區[2]，勢必嚴重影響礦井正常采掘接續。

2 防治水工程施工方案

2.1 煤柱留設方案

由1.2節可知，1706工作面存在大量的采空區積水，為了確保1704工作面回風巷安全掘進，根據《煤礦防治水細則》的規定，必須在1704工作面回風巷留設合理的防隔水煤柱。丁永紅等[3]通過對紅會一礦1715工作面沿空掘巷圍巖穩定性研究，計算分析出窄小煤柱留設寬度為10.0 m.考慮到1704回風巷傾斜上方承壓大量積水，利用FLAC3D有限差分軟件對1704回風巷建立數值模型，系統分析此段巷道承壓的分布和巷道變形規律，并對巷道的穩定性進行評價，為巷道的煤柱留設和支護方案設計提供重要依據。

本次模擬以紅會一礦實測的巖層參數為基礎，對紅會一礦1706回風巷全煤巷道段建立數值計算模型。每個網格代表的尺寸按照1.5 m×1.5 m進行模擬，由圖2可知，在巷道開挖后未支護前，塑性區[4]范圍比較大，達到15.0 m，右邊和鄰近巷道的塑性區連接起來，形成了一個更大的塑性區；在巷道表面，直墻中段、頂板中段以及底板中段的的塑性區比較明顯。

圖2 支護前塑性區分布圖

因此，根據分析結果，1704工作面回風巷與1706工作面煤柱寬度按照15.0 m留設。防隔水煤柱留設的經驗公式(2)得出[5]：

(2)

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數，取3；M為煤層厚度，取8.3 m；P為水頭壓力，取0.41 MPa;KP為煤的抗拉強度，取1.42 MPa.

計算出防隔水煤柱為11.6 m.因此，1704回風巷與1706采空區留設的防隔水煤柱，滿足防隔水能力。

2.2 巷道支護方案

巷道采用錨網索支護。巷道幫、頂部均選用D22 mm×2 600 mm的樹脂錨固劑螺紋鋼錨桿，錨桿配套使用1支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑，錨桿均按矩形布置，錨桿間排距為700 m×700 mm.為了加強巷道承壓能力，要求按1.4 m排距在巷道中心、中心線以右1 m處打注2根D17.8 mm×7 000 mm樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用3支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑，以及在巷道底板以上1.5 m處打注1根D17.8 mm×4 000 mm的樹脂錨固劑錨索，每根錨索使用2支Z2360和1支CK2335型樹脂錨固劑。回風巷支護示意如圖3所示。

通過軟件模擬分析(如圖4所示)，在支護后，有效地控制了巷道圍巖的塑性區，使得塑性區左右只有4.0 m，而且使得此巷道的塑性區沒有與鄰近巷道的塑性區相連；在巷道表面，主要以兩幫和底板變形為主。因此，采用錨桿(索)、錨注聯合支護可以控制巷道周圍圍巖以及巷道表面位移，有效增加巷道的承壓相鄰采空區積水能力。

圖3 巷道支護示意(mm)

圖4 支護后塑性區分布圖

2.3 確定允許掘進安全距離

1706工作面采空區積水范圍、積水標高等情況清楚，根據《煤礦防治水細則》有關規定，1704回風巷可以實行限壓(水壓小于0.01 MPa)循環放水。1704回風巷掘進安全距離根據分階段探放水孔水壓值、水頭標高和走向煤層掘進巷道變化情況確定。

1) 鉆孔布置。由1706工作面機道密閉處脫水點可確定1706工作面采空區積水線。根據1704工作面采掘現狀，從已掌握的積水線開始，根據探水點的標高和采空區積水點的位置，分別在回風巷、中間巷、二號爆破巷采用“DDDC”的方法即“探放水鉆孔設計-鉆孔施工-疏放水-效果驗證”，直至1706采空區積水疏放放凈。

2) 礦用側向電阻率視頻成像測井技術應用。礦用側向電阻率視頻成像測井儀探測時[6]，設置相關的工程參數和測井參數，能夠快速一次完成測斜(鉆孔方位、傾斜度)、鉆孔深度數據采集。然后通過數據分析，自動生成鉆孔定向剖面圖、鉆孔平面軌跡圖進行CAD圖形輸出。

在各階段疏放水期間，對探放1706采空區積水鉆孔水壓和出水量變化情況持續監測，根據安裝在鉆孔孔口水壓表，當水壓值無壓或微壓時，利用礦用側向電阻率視頻成像測井儀收集鉆孔的信息，通過數據處理后生成鉆孔軌跡和視頻成像，確定1706采空區積水水位。1704工作面回風巷相鄰兩階段允許掘進對應1706采空區水位疏降高差值，通過公式P=ρgh可以得出，兩個階段允許掘進水位疏降高差值不大于1.0 m.

式中：P為壓強，取0.01 Pa；ρ為密度，取1 000 kg/m3；g為重力加速度， 取9.8 N/kg；h為深度，m.

通過公式S=h/sina(a為掘進坡度正值)，計算出每次允許掘進的工程量。

2.4 排水方案

經計算，1704回風巷探放水預計單孔最大出水量約63.6 m3/h.水泵和排水管路按70 m3/h的涌水量進行選型，在1704工作面回風巷水倉未形成之前，在臨時排水點分別安設備用BQW40-100-25型潛水泵各1臺，選用兩趟排水管路,沿1704工作面回風巷排至1706工作面機道口，沿水溝自流至七采區水倉。在1704工作面回風巷水倉形成后，在水泵房安設2臺MD280-43×3型水泵(1臺備用)，敷設D219 mm排水管路一趟,水流進入水倉，再由回風巷水倉集中排放至1706綜放工作面機道口。

向1706綜放工作面采空區施工探放水孔，在孔口上必須安裝止水套管和控制閘閥，以便控制鉆孔出水量，將水量控制在排水能力之內。

3 實施效果

1704工作面回風巷從確定的探水線位置開始，截止到目前共設計并施工了探放水鉆孔5組，21個孔，進尺1 236 m，探放1706工作面采空區積水17.3萬m3.同時在1704工作面中間巷、2號爆破巷施工探放水鉆孔對1706工作面采空區積水進行疏放，施工探放水鉆孔3組，17個孔，進尺1 710 m，探放1706工作面采空區積水23.0萬m3.

通過礦用側向電阻率視頻成像測井儀分析，1706工作面采空區已無大量的積水，且1704回風巷驗證探孔已施工至七采區南部向斜軸部(1706采空區積水最低處)區域。

紅會一礦通過制定1704回風巷沿空下山掘進水害防治技術方案，1706工作面采空區積水得到有效的疏放，經過礦用側向電阻率視頻成像測井驗證達到了對采空區積水降壓疏干的目的，效果顯著，實現了1706工作面回風巷掘進736 m，確保了施工安全。

4 結 語

1) 1704工作面回風巷實施限壓循環放水，設計并施工了探放水鉆孔8組，38個孔，進尺2 946 m，探放1706工作面采空區積水40.3萬m3.實踐證明限壓循環放水完全可行，效果顯著，有效地解除了采空區水害隱患。

2) 根據《煤礦防治水細則》有關規定，防隔水煤柱的尺寸要求不得小于20 m.通過制定水害防治方案，減小了煤柱的留設寬度，增加了回收煤炭資源約4.12萬t，根據當地2021年當地煤炭平均價格計算，創造直接經濟效益約3 296.0萬元。

3) 根據統計資料結合目前鉆孔出水情況，采空區仍有30 m3/h左右的補給水量。經計算，頂板含水層滲透系數為6.804×10-3m/d,為紅會一礦七采區及其他區域水文地質的研究提供可靠的參數。

4) 1704工作面回風巷掘進期間嚴格執行水害防治方案，未發生任何水害事故，施工工期245 d，提前25 d，施工安全得到了保障。