浅谈山西矿西五采区承压水治理

熊国富，罗顺根，付贵平，丁少平，彭小华

（江西新洛煤电有限责任公司 山西煤矿，江西 丰城 洛市331107）

1 概况

山西煤矿于1983年建井，1986年投产，设计生产能力为0.30Mt／a，后期为0.45Mt／a，现核定生产能力0.33 Mt／a。矿井采用斜井开拓，有主井、副井、东风井、西风井四个井筒；采用走向长壁式炮采；支护形式为单体配π型梁支护；通风方式为两翼对角抽出式；可采及局部可采煤层共9层，现开采23＃煤层，煤层厚度平均5m，煤层结构复杂，含多层薄层状夹矸，普氏硬度3～4，煤层倾角8°～35°，伪顶为粉砂夹煤线，厚度0.8m，含炭质较高，直接顶为粗粉砂岩，厚度0.5～1.2m，致密坚硬，老顶为灰色细砂岩，厚度15m，坚硬；直接底为粉砂岩，厚度2m，较为坚硬，不易底鼓，老底为灰色细砂岩，厚度5m，致密坚硬，井田内地质构造复杂，断层极为发育，火成岩侵蚀严重。矿井为瓦斯矿井，瓦斯相对及绝对涌出量分别为5.13m3／t、3.26m3／min，煤层不易自燃，煤层无爆炸性。

西五采区23＃煤层厚度平均为5.34m，上覆24＃煤层已采完，其层间距为30m，煤层平均厚度为2m，西五采区24＃煤层开采面积为116475m2，采空区积水量计算为119138m3，由于23＃煤层为厚煤层，开采时上覆24＃煤层积水会沿顶板裂隙渗入23＃煤层工作面，给开采带来困难，顶板淋水大，不仅造成作业环境差，而且严重影响煤炭质量（见图1）。

2 探放水工程设计

2.1 －300m西放水巷周围的水文地质情况

原西五采区24＃煤层工作面于2001年开始初采至2006年回采终止，采区平均走向长530m，倾向长220m，开采面积计116475m2，采空区积水量为119138m3。严重影响2361工作面的生产方案布局，为此从－300m西石门内开掘一条专用放水巷，对24＃煤层工作面采空区积水进行放水。

（1）－300m西放水巷处于236皮带道东侧，其标高为－294m，全长130m，坡度为3‰，垱头位置位于2449工作面采空区以下，其顶板标高为－293.587m，根据计算，该垱头顶部12m为24＃煤层底板。

（2）水头高度：24＃煤层工作面采空区水头高度为95 m（－190m～－285m），－300m西放水巷钻场的垱头标高为－292m，故－300m西放水巷垱头水头高度为102 m，水头压力为10.2kg／cm2。

（3）24＃煤层工作面采空区积水量为11.9×104m3。

（4）预计补给水源涌水量为20m3／h。

（5）可能存在的不利因素。①正常涌水量属计算涌水量，推测的数据可能存在误差；②周围小井开采及补给水源不明；③测量误差。

图1 西五采区23＃煤层采掘平面

2.2 钻眼布置

（1）巷道开拓方向：－300m西放水巷在－300m西石门测3点开门，设计长度130m，方位190°，坡度为＋3‰，钻场方位130°，坡度＋16°，断面：宽2.4m，高2.2m，放水位置：距垱头1m处。

（2）钻眼布置：3组，每组2孔。

2.3 探放水孔布置

探放水钻孔布置剖面和平面图见图2、图3。

图2 探放水钻孔布置剖面

图3 钻孔布置平面

2.4 探放水超前距和帮距的确定

（1）超前距

①计算法：根据含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设公式计算：

式中：L为煤（岩）柱留设的宽度（m）；M为巷道跨度（m），取2.4m；K为安全系数，取2m；P为水头压力（MPa），取10.2（该放水巷垱头标高为－292m，24＃煤层工作面采空区水头最高标高为－190m，故水头压力为10.2MPa）；Kp为煤（岩）柱的抗张强度（kg／cm2），取1.35。

经计算得：

②《煤矿防治水规定》第98条规定：最小水平钻距不得小于30m，止水套管长度不得小于10m，故确定采用超前距为30m。

因此，确定采用钻孔超前距为30m。

（2）放水巷垱头位置的选择

①计算法：根据安全隔水层厚度计算公式：

式中：t为安全隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，m；γ为底板隔水层的平均重度，MN／m3；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa。

求得：

由于该处岩层岩性不好，为保险起见，安全隔水层厚度取计算值3倍，即9m，t＜t实。实际位置位于24＃煤层底板下12m处。

2.5 探放水设备及探放水钻孔的布置方式

（1）探放水设备：钻机型号为TXU－75A，钻进长度75～100m。

（2）探放水钻孔布置方式（扇形分布）：见图4。

图4 探放水钻孔布置

（3）探放水钻孔施工顺序：探放水钻孔施工顺序（孔号）：1－4－2－5－3－6。如施工有3个钻孔放水时，停止施工，进行放水，如施工孔未有流水，则继续施工4－5－6号孔，直到有3个钻孔放水为止。

（4）探放水钻孔布置：见下表。

组号 孔号 方位／° 倾角／° 孔深／m 6 140 ＋30 50 123 1 130 ＋20 50 4 130 ＋30 50 2 120 ＋20 50 5 120 ＋30 50 3 140 ＋20 50

2.6 孔口装置的安装

探放水孔都必须安装孔口安全套管，孔口装置的施工和安装程序如下：

（1）选择岩层坚硬完整的地段开孔，孔径应比孔口管直径大1～2级，钻至预定深度（根据《煤矿防治水规定》第20条，止水管长度大于15m，故深度确定为20m），将孔内冲洗干净。

（2）向孔内注入水泥浆，将预先准备的孔口管（末端应塞以土塞）放入孔内，待水泥浆凝结后，即可在孔口管内钻进。另一种办法是将孔口管插入孔内后，在孔口用水玻璃和水泥将孔口管固定并封死，在管的上方另留一个小管，而后从孔口管内向四周压入水泥浆，开始从小管跑出空气和水，待跑出浓水泥浆时即将小管封死，继续向孔口管内压入水泥浆，至一定压力后停止注浆，关闭孔口管上的闸阀，待水泥浆凝固。

（3）水泥浆凝固后进行扫孔，待深度超过孔口管长度后，向孔内压水。如水压值超过预计放水时水压时，孔口鉴定周围没有漏水现象，说明合乎要求，否则仍需注浆加固。

（4）应在孔口管上安装水压表。

2.7 放水钻孔孔数的确定

（1）单孔出水量可由下式估算

式中：q为单孔出水量（m3／s）；C为流量系数，一般取0.6～0.62；W 为钻孔的断面积（m2），直径60mm；g为重力加速度（9.8m／s2）；h为钻孔出口处的水头高度（m），h＝102m。为计算钻孔的平均放水量，可取最大水头高度的40%～45%。

求得：

（2）24＃煤层工作面采空区积水按下式估算

式中：W为采空区积水量（m3）；M为采厚（m），2m；L为采空区走向长度（m），530m；h为采空区内的水头高（m），95 m；α为煤层的倾角（°），平均25°；K为采空的充水系数，一般取0.3～0.5m。

求得：W＝（0.5×2×530×95）／sin25°＝119138m3

（3）最大应放水量为

式中：Q为最大应放水量（m3／s）；W为静储量或老空积水量（m3），W＝119138m3；t为允许放水期限（s）；Q动为动储量或老空水正常补给量（m3／s）。

说明：允许放水期限应根据 －300m水泵综合排水能力，故暂定为60天（即5184000s）。老空水正常补给量为20m3／h（0.006m3／s）。

求得：Q＝119138／5184000＋0.006＝0.029

（4）放水钻孔的孔数为

式中：N为放水钻孔的孔数；Q为最大应放水量（0.029m3／s）；q为单孔出水量（0.03m3／s）。

因－300m水泵综合排水能力为：1363m3／h，依据单孔平均放水量计算，排水能力远远超过放水流量。因此，综合确定本次放水孔1个（108m3／h）。

3 取得的效果

在实际施工操作过程中，先用直径65mm钻头进钻探孔，方位190°，倾角＋25°，在28m处见24＃煤层采空区积水，继续前探10m至采空区顶部，共计38m。当时出水量为25m3／h，然后改用直径113mm钻头进行扩孔，扩孔长度28m至24＃煤层采空区，出水量增加到80m3／h，同时，为防止采空区余煤余碴堵塞钻孔，每班安排专人进行洗眼放水，确保钻孔放水有效。

通过52天的放水进行疏干降压后，已成功把原西五采区上覆24＃煤层的采空区积水疏干，现放水钻孔只有10 m3／h的补给水源流出，共计放水量约17×104m3。不仅解决了上覆承压水对2361工作面开采带来的安全威胁和影响，也给后期2368工作面、2366工作面开采创造了良好的生产条件。疏水降压开采提高了矿井开采的安全性及煤炭资源回收率，经济效益显著。

该项目在我矿西五采区2361面试采成功后，紧接着在2368面推广应用，同时对今后治理承压水提供了宝贵经验。