矿井防治水技术综合研究与应用

李永兰

(阳泉煤业(集团)有限责任公司 三矿,山西 阳泉 045000)

近年来，随着矿井产量的逐年递增，矿井开采深度也在不断增加，矿井水害事故频发，造成重大的人员伤亡和经济损失。因此，在开采过程中探索如何有效地防治矿井水害，避免水害事故，已成为矿井安全高效发展的重要研究方向。

1 矿井概况

阳泉煤业(集团)有限责任公司三矿建于1950年5月，随着多年开采，矿井资源萎缩，现有生产矿井一对，即竖井，于1956年2月开始建井，至1956年3月移交生产，核定生产能力350万t/a，开采沁水煤田上石炭统15#煤层，井下划分两个开采水平，采用走向长壁后退式综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。

2 充水因素分析

2.1 充水水源

阳泉三矿竖井扩四区主要充水水源为地表水、煤层顶板含水层水及老空水。地表水主要是扩四区东北部马家坡河，长年流水，地表水补给充分。地下水主要为第四系孔隙潜水，山西组砂岩和太原组灰岩裂隙水，岩层富水性相对较好，主要富水含水层为K2、K3、K4灰岩。老空水主要指上部和周边采空区积水，由于本矿区煤炭开发历史较长，上部3#、6#、8#、9#、12#煤层均已开采，充分塌陷后裂隙发育，补给水源沿裂隙下渗，形成老空积水。而且地下水、地表水、老空积水与大气降水之间有着密切的关系，动态变化受降水因素影响，具有明显的季节性和周期性。

2.2 充水通道

充水通道是指充水水源或水体进入矿井的通道。该矿充水通道主要包含采动裂隙、孔隙、陷落柱等，采动裂隙、孔隙是以淋水方式进入矿井的通道。该通道渗入的地下水水量有限，流速较缓，一般不会酿成淹井事故。陷落柱是以较大流量迅速进入矿井的通道，而且因井下开采地表塌陷形成的裂隙带发育，大气降水可直接渗入井下。

3 主要水文地质问题

矿井以往所做的地质、水文地质勘探工作查明了井田内发育的含水层和隔水层、基本构造发育情况，并分析各含水层的富水性和导水性等水文地质条件，确定为水文地质中等类型。随着矿井开采区域向深部及新采区的拓展，暴露和揭露的水文地质问题越来越多，如采空区积水、顶板岩层水、小煤窑老空水、陷落柱导水等。

3.1 采空区积水

阳泉三矿竖井扩四区位于井田东南部之西侧，扩四区周边东北部地表位于马家坡河东部，上部3#、9#煤层均已开采，采空区形成至今时间久远，塌陷充分，采动裂隙发育，采空区相互导通，水力联系复杂，其间含水层水沿裂隙下渗补给15#煤采空区；而且地表位于马家坡河东侧，大气降水、地表水补给充分，补给水沿采动裂隙下渗，最终在15#煤层采空区低洼处汇集，形成同层老空水。通过实测水位标高，预计有采空积水93.05万m3。扩四区15#煤层K8404、K8403工作面上方对应二号井四区9#煤层采空积水体，预计积水量24 000 m3。采区南部K8402、K8401工作面东南部上方对应二号井3#煤层采空区积水体，预计积水量65 000 m3。

采空区积水的赋存与采空区范围形状有关，往往聚积在采空区下部，一般以静储量为主，当煤柱强度小于积水的静压时，即发生突水。一旦突水，往往来势凶猛，瞬间涌水量较大。在短时间内大量积水涌入矿井，进入采掘空间，造成人员伤亡或淹井事故。

3.2 顶板含水层水

竖井扩四区位于阳泉矿区最大的向斜构造(赛鱼—马圈脑向斜)北翼，受区域地质构造控制，岩层富水性相对较好，以山西组砂岩和太原组灰岩为主，主要富水含水层为K2、K3、K4灰岩。而且随着上部煤层的开采，矿井涌水可能会随岩层裂隙补给上部石灰岩，由采区穿层巷道及首采工作面掘进情况来看，本区上部四节石灰岩岩层异常富水，但富水程度及范围未知。顶板富水性极不均匀，给防治水工作带来了一定的难度。

3.3 陷落柱导水

K8403工作面进风巷掘进过程中揭露一导水陷落柱(阳泉矿区第一个导水陷落柱)，虽提前进行了打钻探测、疏水降压等措施，但仍发生了柱体溃泄事故。

4 水害防治技术综合研究

随着矿井开采区域向深部及新采区的拓展，矿井暴露和揭露的水文地质问题越来越多。为了满足矿井安全生产需要，该集团对阳泉三矿的防治水工作方针、技术路线、防治水方法进行了论证，即在规划的层次上力求正确，用以指导今后的防治水设计与实施。本矿井的防治水总体方针是：将区域水文地质条件探查和工作面条件探查相结合，以工作面的防治水为重点；采用综合探查手段，即物探与钻探相结合，以井下探查工程为主。

4.1 同层老空水防治

由于扩四区首采面工作面位于采区最北端，距离东北部15#煤层四、六采区采空区水平距离27～83 m。为了确保首采面的安全开采，委托中国矿业大学对首采工作面北侧防隔水煤柱稳定性进行了分析、评价。工作面北部同层采空积水水位标高595.35 m，积水量约93.05万m3。首采工作面推进至830 m前不需要放水，在830～940 m以及1 100 m到停采线之间由于煤柱宽度小，存在突水危险，必须在进风巷内距切巷830～940 m、1 100 m到停采线两处开展探放水工作。

由于老空积水是人为采掘工程造成的，其分布规律不易掌握，具有隐蔽性，根据以往老空水害防治工作的经验与三矿的生产现状，对老空水防治应该严格执行探放水制度，依据“有掘必探、先探后掘”的原则，制定合理有效的防治措施，同时应根据老空积水的具体条件、矿井排水能力、生产现状等，进行合理控制探放，保证放水量能够及时排出。选择适当的放水时间，尽量避开雨季和矿井涌水量高峰期。探放后可能对矿井带来排水负担时，应调控性地进行探放，

针对具体的水害情况，矿井先后在K8404进风巷内施工探放水钻孔6个，累计工程量285.7 m，2008年5月—2009年11月累计疏放采空积水11.9万m3。同时在三下山补胶带运输巷实测水位标高，并结合探放水钻孔打压情况，掌握老空区积水水位，以指导防治水工作。

4.2 上部采空积水防治

由于本区15#煤层与9#煤层层间距约68 m，15#煤层与3#煤层层间距约113 m，如果在15#煤层内施工探放水钻孔，会存在水头压力大、工程量大以及钻孔透孔效果差等问题，因此，决定在15#煤层工作面走向高抽巷(11#煤层层位)内对上部9#、3#煤层采空积水进行探放。2008年11月—2013年2月，根据矿衔接部署依次在K8403、K8402、K8401高抽巷内开展探放水工作，施工探放水钻孔16个，累计工程量901.9 m，累计疏放积水234 957 m3。

4.3 顶板含水层水防治

本采区上覆顶板岩层富水不均一，无论富水程度还是富水范围均无依据，为了确保各回采工作面的安全，依次在各回采工作面开采前委托中国矿业大学采用瞬变电磁法进行了水文物探，然后根据水文物探结果有针对性地对富水异常区进行打钻、疏放水。

4.4 导水陷落柱的防治

K8403工作面进风巷掘进过程中揭露一导水陷落柱，针对该陷落柱开展了一系列治理措施，主要分为两个阶段：

4.4.1掘进期间的探测、治理方案

1) 开绕巷绕过陷落柱、在距陷落柱外侧30.0 m处重开补切巷。

在进风巷停头退100.0 m开进风绕巷，绕过陷落柱后仍按原设计继续掘进，绕巷与陷落柱共预留54.0 m煤柱。

在距陷落柱外侧30.0 m处预留煤柱内重开补切巷，待工作面推进至进风绕巷时，缩短工作面。工作面推过陷落柱范围到达补切巷后，恢复工作面设计倾斜长度，弃采预留煤柱部分(见图1)。

图1 过陷落柱掘进施工图

2) 在K8403进风巷施工钻孔疏放上部9#煤层采空积水。

为了解除上部9#煤层采空积水对K8403工作面的水患威胁，在进风巷内开展探放水工作，将上部9#煤层采空积水水位疏放降至9#煤隐伏陷落柱下方，切断陷落柱导水水源。

3) 对K8403进风巷陷落柱柱体涌水进行跟踪观测，及时掌握涌水量变化情况。

4) 进风返顶头贯通前对陷落柱进行注胶加固。

经过采取一系列的防治措施，取得了以下成果：

a) 陷落柱柱体涌水量减小。

b) 陷落柱范围较预计范围减小。

c) 进风巷顺利贯通，对工作面回采运输出煤系统无影响。

鉴于以上现状，同时考虑到工作面回采至绕巷需进行拆架、缩减工作面宽度、搬家安装、恢复工作面长度等跳采施工，工艺繁琐、复杂，而且还存在安全隐患，该矿决定K8403工作面硬过该陷落柱，并制定了专项防治水方案。

4.4.2回采阶段的探测、治理方案

1) 在进风巷向陷落柱上部及工作面内侧施工2个钻孔，一是探测陷落柱注胶以后上部是否重新积水，二是探测陷落柱注胶后的固结情况。

2) 在工作面采至陷落柱前要提前采用注胶工艺(在进风巷及K8402回风、尾巷对陷落柱进行注胶加固)，将陷落柱柱体与四周围岩的裂隙充填密实，加固陷落柱和周围煤体及顶板。陷落柱注胶加固图见图2。

图2 陷落柱注胶加固示意图

3) 回采期间加强工作面端头支护和巷道超前维护，防止陷落柱抽冒，并且陷落柱外围15.0 m范围不放顶煤。同时必须配备不低于80.0 m3/h排水能力的排水设备。

回采前先后对陷落柱施工6个钻孔，累计工程量265 m，疏放积水453 m3。不但对陷落柱导水情况和注胶加固效果进行了验证，而且为回采工艺的选择提供了可靠的依据。

经过对K8403进风巷所揭露的导水陷落柱开展一系列的防治措施，既保证了掘进工作的顺利完成，又为K8403工作面的安全回采奠定了基础，避免了工作面中途拆架、搬家、安装、端头维护及运输等环节可能出现的工程，不仅减少了30天左右的跳采搬家、安装等工程时间，也减少了原跳采方案造成的煤炭资源的损失，使工作面多采出了4.4万t煤炭资源，取得了良好的经济与社会效益，为今后防治水工作在导水陷落柱治理方面积累了经验。

4.5 探放水钻孔封孔技术研究

在矿井防治水的开展过程中，进行打钻探放各类积水是最常用也最普遍的手段。然而，探放水钻孔在探测、疏放采空积水解决水患的同时，也成为一种人为的导水通道，在探放水工作的末期又成为一种新的安全隐患。在探放水工程开展过程中，尤其是对上部采空积水的探放过程中，由于采空积水体水头压力较大，一旦探放水钻孔在施工过程中或透孔后疏放水过程中，由于封孔质量(强度或密封性)差，导致止水套管受上方采空积水冲击坠落或止水套管周围发生不同程度漏水，不但威胁现场施工人员的安全，而且会由于上部采空积水无法控制，造成探放水地点设备被淹，甚至整条巷道、整个采区受水威胁，形成人为水害事故。所以，开展探放水过程中，钻孔的封孔工艺、质量成为防治水工作中的重要问题。

根据《煤矿防治水规定》第九十六条要求在预计水压大于0.1 MPa的地点探水时，预先固结套管，套管口安装闸阀。而扩四区防治水工作开展过程中，所有探放采空积水工程的预计水头压力(0.14～0.73 MPa)均大于0.1 Pa，尤其是在K8402高抽巷疏放上部3#煤层采空积水过程中，预计水头压力达0.73 MPa。运用传统的通过马丽散反应膨胀原理进行封孔不能满足封孔质量要求，必须寻求一种更加科学、合理、安全的封孔工艺。

结合探放水实际，该矿摸索了一套封孔工艺，设计的止水套管为全长11.5 m的4英寸优质铁管，分为4部分，中间部分设丝扣，用管箍连接，单孔示意图见图3。为加强止水套管外壁与钻孔的密封效果，在距止水套管顶部30 mm处加焊1个d193 mm的法兰盘，盘上打孔，用木螺丝紧固1个外径为193 mm、内径为108 mm、厚度不低于6 mm的密封圈，在距其底部500 mm处加焊1个d193 mm的法兰盘，该法兰盘在止水套管安装前用棉丝、海带等缠好。为保障封孔料能顺利运输至止水套管顶部后再汇合反应，距其顶部150 mm处在止水套管管壁的两侧焊设2个13#量筒，并在距底部500 mm处的法兰盘与水套管管壁接触面的两侧焊设2个13#量筒。止水套管底部焊接4英寸标准法兰盘，用以阀门的安设；为加强封孔管卡与止水套管之间的摩擦系数，在距止水套管底部150 mm处加焊焊点。

图3 单孔设计示意图

5 结 论

阳煤集团大部分煤矿开采时间较长,经过多年的开采,浅部煤层已开采殆尽,矿井将面临向深部延伸的现实问题,随着开采深度的增加,水文地质条件越来越复杂,受水害威胁程度加大,防治水形势严峻。本文结合阳泉三矿竖井扩四区具体的地质、水文地质条件,根据以往的矿井防治水工作及其主要水害特征,进行了突水因素分析,通过对受水害威胁程度分析,对突水危险程度进行安全评价。针对不同的水害采取科学手段进行探测和分析,并进行相应的防治水方案设计(包括:巷道掘进阶段防治水方案、工作面回采前及回采过程中防治水方案),制定了技术上可靠、经济上合理的防治水工作的总技术路线：巷道掘进前,采用物探超前探对地质异常体进行探测,若出现异常进行钻探验证,并对含导水陷落柱进行局部注胶加固以及注胶效果检验,不满足要求则需再加固,直到满足要求再进行下一步的工作面回采前防治水工作；工作面回采中,流程同上,同时进行突水监测,出现异常进行处理,无异常则继续回采，从而实现矿井安全回采。探放上部采空积水钻孔的成功封孔，填补了该矿乃至全集团公司在探放高压老空水过程中封孔工艺技术区域的空白，值得推广借鉴。

参 考 文 献

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