云岡煤礦老空水探放工藝分析研究

王 巖

（晉能控股煤業集團云岡礦，山西 大同 037000）

通過對老空水的探放，消除老空水害對采掘工作面的威脅，合理簡單的探放水方法對煤礦提高經濟效益和安全生產具有重要意義。

1 礦井及盤區水文地質條件

云岡井田內主要含水層有4 個，分別為寒武系石灰巖含水層、侏羅系中統云岡組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統大同組砂巖裂隙含水層、第四系沖積——洪積層含水層[1]。

寒武系石灰巖含水層：根據《云岡礦水文地質類型劃分報告》解釋，寒武灰巖巖溶裂隙不發育，含水性微弱，寒武系巖溶水水位標高800～810 m，與12#煤層間距約120 m，無直接導水通道，12#煤層不受寒武系巖溶裂隙水影響，不存在帶壓開采。侏羅系中統大同組、云岡組砂巖裂隙含水層：根據《云岡礦水文地質類型劃分報告》解釋，侏羅系中統大同組、云岡組砂巖裂隙含水層富水性弱，且經過數十年的煤礦開采，含水層地下水被疏排嚴重，不會對12#煤層開采造成影響。

12#煤層距上覆8#煤層間距平均為43.24 m，距上覆7#煤層間距平均為73.83 m，距上覆3#煤層間距平均為117.43 m。根據礦井水文地質條件分析，礦井406盤區上覆各層采空區間存在水力聯系，由上覆煤層底板等高線分析，該區域整體北高南低，上覆各層采空區積水通過塌落、裂隙帶等可導入12#層406盤區采空區內。

2 采空區積水分析

2.1 8611工作面及南部8613工作面分析

12#煤層406 盤區8611 工作面傾向長707 m、走向長140 m，采用綜合機械化傾向長壁全部垮落采煤法，工作面南北布置，北高南低，平均煤厚為4.75 m，標高范圍為980～945 m，落差35 m，工作面為2007年回采。

12#煤層406 盤區8613 工作面走向長1 138 m、傾向長149.5 m，采用綜合機械化傾向長壁全部垮落采煤法，工作面東西布置，北高南低，平均煤厚為6.52 m，標高范圍為945～925 m，落差20 m，工作面為2009 年回采。8613 工作面上部未被開采破壞，經物探、鉆探未發現工作面存在積水情況，因8613工作面整體東低西高，故8611采空區積水排放至8613采空區后，具有一定的儲水空間。

2.2 8611工作面采空區積水情況

1）積水范圍的確定

8611 工作面上覆8#層西部為406 軌、406 皮、506回3 條盤區巷道，北部為406-1 軌、406-1 皮、506-1 回3 條盤區巷道，層間距約43 m；上覆7#層西部為礦井408 盤區巷道，東部為8803 采空區，層間距約74 m；上覆3#層為8801（1994 年采完）、8803（1995 年采完）、8805（1995 年采完）、8807（1996 年采完），各工作面均采用走向長臂采煤法進行回采，層間距約117 m；該工作面東北部存在靈丘通盛煤礦（2007年關閉），通盛煤礦批采煤層為2#、3#、7#層煤。通過礦井的實測數據，12#煤層裂隙帶發育高度為86.2 m，根據煤層底板等高線和回采情況，通過地面瞬變電磁法、井下瞬變電磁法預測，預計8611采空區內存在積水。8611工作面經探水鉆孔測得水壓為0.3 MPa，估算其積水標高為980 m，最大積水面積10.3 萬m2。探放水鉆孔布置平面圖見圖1。

2）積水量的確定

老空區積水計算：

式中：Q積為積水區總積水量，m3；∑Q采為采空區積水量之和，m3；∑Q掘為采空區各巷道積水量之和，m3；K為充水系數，取0.26；S為采空區面積，m2；H為采高，m；a為煤層傾角，°；S斷為積水巷道斷面，m2；L為巷道長度，m。

采空區回采高度4.75 m，充填系數取0.26，經計算，最大積水量為12.7萬m3。

3 探放水鉆孔布置

1）8637工作面切眼掘進至距2611巷30 m處停止掘進，在距2611 巷34 m 處巷道南幫施工一個規格為4 m×4 m的鉆場，由探放水隊施工兩組鉆孔進行探放水工作，鉆孔參數如下：

第一組：探8611鉆孔，方位96°，傾角0°，預計34 m溝通8611老空區；探8613鉆孔，方位137°，傾角-3°，預計70 m溝通8613老空區。

第二組：探8611 鉆孔，方位96°，傾角-7°，預計34 m溝通8611老空區；探8613鉆孔，方位137°，傾角-3°，預計70 m溝通8613老空區。

排水系統：通過向同層8611采空區施工兩個放水孔，向同層8615采空區施工兩個排水孔，兩兩對接，將8611 采空區積水通過自流排放至同層相對較低的8615 采空區內（地質科負責日常水量觀測、匯總及分析工作）。

2）探放水鉆孔施工及單孔結構

開孔以57 mm 孔徑鉆進，在鉆進到終孔前10.0 m時，換用108 mm 鉆頭進行擴孔，擴孔長度5.0 m，用于安設止水套管。由專門配備的TUX-75 型鉆機（鉆桿直徑75 mm）進行施工[2]。

3）鉆進要求

鉆孔開口處5 m必須用108 mm鉆頭進行擴孔，以安裝孔口安全套管，并安設閘門，安設牢固后，要進行安全套管的耐壓試驗，合格后方可鉆進，并經常檢查。

4）單孔放水量Q計算

式中：C為流量系數，取0.6；S為鉆孔斷面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s；h為鉆孔出口處的水頭高度，m。

放水孔采用直徑75 mm 鉆孔施工，水頭高度0.25 m，經計算，單孔放水量為23.9 m3/h。

5）排水時間

預計最大積水量為12.7 萬m3，兩組孔排水，單孔放水量為23.9 m3/h，計算排水時間為110 d。

4 安全技術措施

為保證作業地點施工安全，在探水前和鉆孔施工期間，隊組要加強沿途頂板的支護；在開始探巷之前，必須確保巷道內已配備至少一趟4 寸管路及兩臺45 kW水泵；探鉆地點附近必須安裝電話，以便及時匯報探鉆過程中發生的意外情況和一旦工作面發現透水征兆時，能及時與地面調度室聯系、匯報情況，并向受水害威脅區域發出警報[3]；探放水隊必須嚴格按照探鉆參數要求進行施工，不得擅自更改，如遇井下情況特殊確需改變設計時，必須經地質部門同意后，重新調整鉆孔參數，補充鉆孔探測設計方案；探放水隊在探測過程中，如果發現煤巖松軟、片幫、來壓或鉆眼中水壓、水量突然增大及頂鉆等異常現象時，必須立即停止鉆進，但不得撥出鉆桿，撤出所有受水威脅地區的人員，同時向礦領導及調度室匯報；探放水隊必須在班前會強化員工的防治水意識，真正做到防患于未然；探放水隊在鉆場位置巷道頂板懸掛探放水牌板，并標明探孔施工日期、人員、參數、放水量；探放水孔在探通后，必須上止水套管，安裝壓力表、流量計；地質科派專人負責指導探孔的施工，使探孔參數嚴格符合設計要求；安監站派專人監督，如果發現探鉆參數不合格，立即要求停止施工探孔[4]；探測完畢，由探放水隊、地質科、安監站、掘進隊組相關負責人組織驗收，驗收合格后在四聯驗收單簽字。

5 水患治理及排水情況

1）上覆層探放水工作

12#煤層406盤區8637工作面向上覆3#煤層共施工井下放水驗證孔1 個，鉆孔鉆進137 m 溝通3#煤層，通孔無水。綜上所述，上覆層探放水工作已完成，無水患。

2）同層8611采空區積水探放水工作

為疏放8637工作面同層8611采空區積水，礦井制定了專項探放水方案，在8637 切巷建立一放水硐室，向8611采空區施工兩個放水孔，向同層8615采空區施工兩個排水孔，兩兩對接，將8611 采空區積水通過自流排放至同層相對較低的8615采空區內，地質防治水科負責日常水量觀測、匯總及分析工作。

礦井開始排水日期為2019 年10 月21 日，截止2020年1月13日，8637切巷放水硐室兩組探放水孔均已無出水，累計排放水量8.1 萬m3。總排水量小于預計最大積水量，主要原因為采空區形成時間長，采空區壓實程度較好，形成的儲水空間相對較小以及出水口水位與老空水水位有一定高差，老空水未全部排出。8611 采空區積水排放工作已完成，水患已基本消除。排水時間為84 d。涌水量和排水時間均小于預期。

綜上所述，12#煤層406盤區8637工作面經探放水工作，上覆層已無水患威脅，同層8611 采空區水患已基本消除。8637 工作面在防治水方面已具備安全生產條件，符合準入驗收標準。

6 8637工作面開采情況

12#煤層406 盤區工作面8637 工作面為煤柱工作面，回收406盤區大巷煤柱，工作面南北方向布置。該工作面走向長701.8 m，切巷長度94.8 m；巷道規格為4.5 m×2.8 m。12#煤層直接頂為中粗砂巖互層；直接底為粗中細粒砂巖；12#煤層平均厚度4.75 m。采煤方法為綜采一次采全高采煤法，工作面可采儲量為43.5萬t。通過8611 工作面的探放水工作，解除了8637 工作面水害威脅，8637 工作面于2020 年8 月底回采完畢。

7 效果分析

1）通過將8611 采空區積水通過自流排放至相對較低的8615采空區，解決了8637工作面上覆采空積水和同層采空積水的水害威脅。

2）通過探放水工作，保證了8637 工作面43.5 萬t煤炭資源安全回收，延長了礦井服務年限，創造了較高的經濟效益。

3）正常的探放水作業是將老空水經探水孔排至巷道小水倉，經過礦井主要排水系統排至地面礦井水處理站，處理后利用或外排。此次排水作業減少了排水工序同時降低了排水及水處理成本。

8 適用條件和推廣應用范圍

該探放水方法適應于同層臨近采空區積水的疏放，主要利用采空區間的標高差，將采空區積水疏放至標高較低的采空區內，即減少了積水疏放的物料成本和人工成本，又減少了污水處理壓力，環保節能，降本增效。對于許多兼并重組礦井的老窯積水處理提供一種解決方法。