關閉煤礦高位采空積水綜合治理技術研究與應用
——以小溪溝煤礦為例

王東升，吳 強，楊百順，靳 曉，凌志遷，何君菡

(1.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川省成都市，610045；2.四川省安科技術咨詢有限公司，四川省成都市，610045；3.四川省安全科學技術研究院，四川省成都市，610045)

0 引言

隨著國家經濟供給側結構性改革的不斷推進和能源結構的進一步優化，很多開采規模小、采礦地質條件差、開采技術落后的煤礦企業關閉退出市場。據統計，近10年四川省超過1 000個煤礦關閉[1]，煤礦關閉后停止了抽排水，井下巷道及采空區遺留大量積水。由于以前的小煤礦存在超層越界、無序開采、技術資料不清等情況，關閉后煤礦井下大量積水對相鄰保留煤礦構成水害威脅[2-3]。

我國在煤礦采空區水探查、治理等方面開展了許多研究并取得了不少成功經驗[4-11]，形成了相對完善的采空區水防治“查全、探清、放凈、驗準”四步工作法。針對礦井技術資料不準的情況，查清采空區積水情況并結合礦井實際情況采取恰當的水害治理技術方案是采空區水治理成功的關鍵。

小溪溝煤礦東翼煤炭資源受相鄰關閉的葡萄石煤礦(西井)高位采空積水威脅，而葡萄石煤礦(西井)技術資料不準，因此，查清葡萄石煤礦(西井)老空積水范圍、積水標高、積水量等情況，再結合礦井開拓部署情況制定治災工程技術方案，疏放葡萄石煤礦(西井)采空區積水，對小溪溝煤礦東翼煤炭資源安全回采具有重要意義。

1 工程概況

小溪溝煤礦位于四川省旺蒼縣小溪溝井田，主要含煤地層為三疊系上統須家河組第五段(T3xj5)，一般含煤5層，自上而下分別為5、9、10、11、12號煤層，煤層間距依次為53.0、28.0、1.4、26.0 m，各煤層頂板為粉砂巖或泥質粉砂巖，底板為泥巖或粉砂質泥巖。小溪溝煤礦開采標高+550～+235 m的5、9號煤層。葡萄石煤礦(西井)與小溪溝煤礦緊鄰，位于小溪溝煤礦東翼淺部，開采標高+550～+424 m的5、9、10、11、12號煤層，兩礦礦區范圍不重疊。

葡萄石煤礦(西井)采用平硐+暗斜井開拓，主平硐井口標高為+481 m，該礦因煤炭資源枯竭于2014年6月關閉。目前，小溪溝煤礦地測人員對葡萄石煤礦(西井)井下部分巷道進行了實測，結果顯示葡萄石煤礦(西井)+424 m水平主水倉入口處巷道底板標高為+415 m，說明葡萄石煤礦(西井)開采技術資料不準，其實際開采標高可能為+550～+415 m。葡萄石煤礦(西井)關閉后，井下巷道及采空區遺留了大量積水，其采空積水區位于小溪溝煤礦東翼煤炭資源高位，嚴重威脅小溪溝煤礦東翼煤炭資源的安全回采。

2 關閉煤礦采空積水情況

2.1 葡萄石煤礦(西井)采空積水探測

小溪溝煤礦在實測葡萄石煤礦(西井)井巷工程時，由于葡萄石煤礦(西井)已進入關閉程序，其井下大部分巷道已密閉無法進入，因此葡萄石煤礦實際開采下界標高不清楚。為了查清葡萄石煤礦(西井)開采下界標高并準確圈定采空積水區范圍，采用地面瞬變電磁法在葡萄石煤礦(西井)積水區域對應地表布置4條測線，共計180個觀測點，6個檢查點，測線布置如圖1所示。

圖1 地面物探測線布置

根據瞬變電磁法測定的巖層電阻率等值線圖，結合葡萄石煤礦(西井)采掘工程情況和礦區地質條件，推斷葡萄石煤礦(西井)礦區范圍內存在含水區14處，節理裂隙異常16處。對礦井存在的水患區分成極易形成水患區、易形成水患區、可能形成水患區、不易形成水患區4類，其中，極易形成水患區、易形成水患區的危險性很大，推測為采空積水區。地面物探結果如圖2所示，青色圈定范圍(YH1、YH2)為推測積水區域及頂底板標高，紅色圈定范圍(J1～J5)為推測裂隙異常發育區。

圖2 地面物探結果

由圖2可知，探測水患區域最低底板標高為+416 m，與實測的葡萄石煤礦(西井)開采下界標高+415 m基本一致，因此，可以確定葡萄石煤礦(西井)采空積水區最低標高為+415 m。

2.2 采空積水量估算

根據葡萄石煤礦(西井)采掘工程平面圖、儲量核實報告、閉坑報告、地面瞬變電磁勘探報告等資料，分析該礦5、9、11、12號煤層+415 m標高以上已基本采空，10號煤層+450 m標高以上進行了部分開采。采用式(1)估算葡萄石煤礦(西井)采空積水量：

(1)

式中：Q積——采空區總積水量，m3；

Q采——某一層煤的采空區積水量，m3；

Q巷——巷道積水量，m3；

K——充水系數，采空區取0.35，巷道取0.9；

M——煤層厚度，5、9、10、11、12號煤層分別為1.32、0.60、0.34、0.33、0.65 m；

S——采空積水區面積，5、9、10、11、12號煤層分別為61 225、70 950、16 750、46 550、71 050 m2；

α——煤層傾角，取40°；

W——巷道斷面積，取5 m2；

L——積水巷道長度，取3 600 m。

根據式(1)，可得各煤層采空積水總量為87 100 m3，巷道積水總量為16 200 m3，因此，葡萄石煤礦(西井)采空區總積水量為10.33萬m3，積水區下界標高為+415 m，上界標高為葡萄石煤礦(西井)主平硐井口標高+481 m。

3 防隔水煤柱留設設計

葡萄石煤礦(西井)與小溪溝煤礦的空間關系如圖3所示，其高位采空積水對小溪溝煤礦東翼煤炭資源回采構成嚴重水患威脅。

圖3 葡萄石煤礦(西井)高位采空積水與小溪溝煤礦空間關系

小溪溝煤礦針對葡萄石煤礦(西井)采空積水情況，采取了留設防隔水煤柱的方法進行水體下采煤。按照礦井原防隔水煤柱設計在東翼+300 m水平至葡萄石煤礦(西井)積水下界標高+415 m之間留設防隔水煤柱，但這將造成東翼煤炭資源嚴重浪費。

葡萄石煤礦(西井)采空水補給條件差，根據小溪溝煤礦采掘實際，研究確定在+370 m區段施工專用放水巷并采用鉆孔疏放葡萄石煤礦(西井)積水是最佳方案，按此方案重新設計防隔水煤柱。

小溪溝煤礦東翼專用放水巷設計為異形斷面，尺寸為3 200 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面7.4 m2。因此，東翼專用放水巷與葡萄石煤礦(西井)采空積水區的最小安全距離為28 m，即小溪溝煤礦東翼留設28 m煤柱即可滿足安全要求。小溪溝煤礦專用放水巷設計標高為+370 m，坡度為0.5%，長度1 300 m，專用放水巷掘進至礦井東翼邊界時標高為+376.5 m。為了進一步確保安全，綜合考慮，將+380 m標高以上留設為東翼葡萄石煤礦(西井)采空積水影響區防隔水煤柱，實際防隔水煤柱尺寸為54 m。

4 關閉煤礦積水治理技術方案

根據小溪溝煤礦實際情況，采用在東翼施工專用放水巷并通過鉆孔疏放相鄰關閉葡萄石煤礦(西井)采空積水的技術方案，該治水方案包括水閘門、專用放水巷、井下雙探、放水孔、排水系統改造等內容。

4.1 水閘門

水閘門位于小溪溝煤礦+370 m專用放水巷，處于巖石堅硬、穩定、完整致密的巖層中，水閘門形狀為楔形，根據計算，墻體長度為2 m，設計水壓為1.1 MPa。為防止水閘門因外部壓力、水泡等原因遭受損壞，在水閘門兩端巷道采用C25混凝土整體砌碹加固支護，厚度500 mm，長度5 m。根據水閘門選型計算結果，結合市場情況選用MMB型礦用水閘門，門扇尺寸為2 000 mm×2 400 mm(寬×高)，軌距600 mm，標稱壓力1.6 MPa，允許壓力2 MPa。水閘門平面布置如圖4所示。

圖4 水閘門平面布置

4.2 專用放水巷

在+370 m標高沿9號煤層底板往東采取“先探后掘”方法掘進至小溪溝煤礦東翼礦井邊界(1號鉆場處)，然后轉向往9號煤層掘進石門，揭穿9號煤層后沿9號煤層往東掘進至礦井邊界。專用放水巷巖巷段長300 m，煤巷段長1 300 m，均采用異形斷面，坡度為+0.5%，尺寸為3 200 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面7.4 m2。

為解決專用放水巷后期通風問題，在+300 m標高掘進一條進風巷，滯后專用放水巷200 m，掘進至礦井邊界后，沿9號煤層掘進回風上山，與專用放水巷貫通。該進風巷采用異形斷面，坡度為+0.5%，尺寸為3 400 mm×2 800 mm(寬×高)，凈斷面8.1 m2。

4.3 井下雙探

專用放水巷掘進時必須“先探后掘”。首先，采用礦用本安型瞬變電磁儀在專用放水巷施工前進行超前探測查疑，共布設20組超前探測點，探測方向為專用放水巷前方、上下及周邊，探測深度為120 m；其次，采用鉆探進行驗證，共設計32組探水孔，每組至少3個孔，終孔位置投影到巷道法線位置超過80 m，允許掘進50 m，保留超前安全距30 m。要根據雙探結果及時調整專用放水巷的施工，確保專用放水巷安全掘進，并再次核查葡萄石煤礦(西井)采空積水下邊界，為放水孔施工提供依據。

4.4 放水孔

在小溪溝煤礦9號煤層底板巷石門開口處布置1號鉆場，對葡萄石煤礦(西井)5、9、11、12號煤層老空區分別實施首次放水，根據放水鉆孔揭穿老空區的標高，放干此標高以上的積水。1號鉆場距葡萄石煤礦(西井)采空區邊界160 m，1號鉆場設計6個放水鉆孔，6個放水鉆孔的施工順序為5F1-1孔→5F1-2孔→5F1-3孔→9F-1孔→11F-1孔→12F-1孔，1號鉆場放水鉆孔布置如圖5所示。在專用放水巷進入9號煤層124 m處布置2號鉆場，2號鉆場以東每隔100 m布置1個鉆場，共計布置13個鉆場。排放水鉆孔施工完后要根據孔內出水量大小控制閘閥，排水量控制在100 m3/h左右。

圖5 1號鉆場鉆孔布置

4.5 排水系統改造

小溪溝煤礦正常涌水量為111 m3/h，原+300 m 水平水泵房配備有3臺MD155-30×10水泵，水泵額定流量155 m3/h，能滿足礦井正常排水需求，鉆孔放水時礦井正常涌水量將增加100 m3/h，原水泵已不能滿足礦井正常抽排水需求，需要對原排水系統進行改造，經計算，將+300 m水平2臺MD155-30×10水泵更換為2臺MD280-43×7型水泵可滿足排放葡萄石煤礦(西井)積水和礦井正常排水需求。

5 治水效果

小溪溝煤礦通過實施探放葡萄石煤礦(西井)積水工程，共計排放葡萄石煤礦(西井)采空積水約9.86萬m3，經物探及鉆探驗證，成功疏干了葡萄石煤礦(西井)采空積水，解放了小溪溝煤礦東翼63.36萬t積水影響區煤炭資源，治災工程總費用為493萬元，治災工程成本僅7.8元/t，經濟效益顯著。

6 結論

(1)采用地面瞬變電磁法對關閉的葡萄石煤礦(西井)積水情況進行核查，查清了關閉煤礦采空積水范圍、積水標高、積水量等，為探放關閉煤礦積水時放水巷和放水鉆孔布置提供依據。

(2)根據探放水技術方案，對關閉的葡萄石煤礦(西井)積水影響區防隔水煤柱尺寸進行計算，得出防隔水煤柱最小28 m即可滿足要求，根據礦井采掘部署現狀，將+380 m標高以上留設為防隔水煤柱，實際防隔水煤柱寬度為54 m，進一步確保了探放水工程施工安全。

(3)小溪溝煤礦通過實施治水工程，成功疏干了相鄰關閉煤礦高位采空積水，消除了開采東翼煤炭資源時的安全隱患，治災成本僅為7.8元/t，經濟效益顯著。