28107工作面探放28109采空积水研究

徐友青

（西山煤电集团股份有限公司 镇城底矿，山西 太原 030053）

西山煤电集团股份有限公司镇城底矿属带压开采矿井，水文地质条件复杂，处于西山区域地下水的径流区，自投产以来矿井涌水量在149.6～467.8 m3／h，正常涌水量为252.1m3／h.影响矿井安全生产的主要水患有地表水、上覆基岩裂隙水、奥灰水、小窑水、采空积水。上覆基岩裂隙水和地表水对矿井生产的影响较小；奥灰水、小窑水、采空积水对矿井生产的影响较大，其中奥灰水为最主要的水患。奥灰静止水位标高900m，受奥灰水威胁最严重的区域位于井田的南六采区，2.3#煤层奥灰最大水头压力为2.2 MPa，8#煤层奥灰最大水头压力为2.9MPa，全矿井2.3#煤层突水系数为0～0.026MPa／m，8#煤层突水系数为0～0.051MPa／m.该矿坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，确保安全生产。

1 工作面概况

该矿28107工作面位于南一下组采区，所采煤层为8#煤，工作面掘进过程中主要受奥灰水、顶板水和采空积水的威胁。28107工作面底板最大突水系数为0.017MPa／m，煤层实际隔水层厚度为70m，大于安全隔水层厚度7.97m，在没有构造导水的情况下，工作面是安全的。工作面顶板L1、K2、L4三层灰岩裂隙水也是工作面的主要充水因素之一。随着工作面的掘进，顶板裂隙增加，顶板灰岩裂隙水会沿顶板裂隙和锚杆、锚索孔流入工作面内，正常情况下，工作面仅有滴水、淋水现象，对工作面掘进影响较小。工作面北部为同层28109工作面采空区，预计采空积水面积为17770m2，积水量为15992m3，积水标高866～882m，最大水头压力为0.16MPa（见图1），且28109采空积水区附近地质构造复杂。采空积水对28107工作面运输巷施工威胁较大，必须提前探放。为此，编制了《28107工作面运输巷探放28109采空积水设计及措施》进行放水。

图1 28107工作面及28109采空区积水分布图

2 探放水方案设计

2.1 放水量预计

1）单位流量计算。

式中：

q—单位流量，m3／min；

C—流量系数，取0.6～0.7；

W—钻孔断面积，m2（钻孔孔径为65mm）；

g—重力加速度，m／s2，取9.8；

H—工作面采空积水高度，一般取工作面采空积水高度的40%～50%，即5×50%=2.5m.

计算得：q=0.84m3／min=50.4m3／h.由于放水时压力逐渐降低，钻孔内有杂物堵塞等影响，取0.7的出水量系数。

计算得：q=50.4×0.7=35.2m3／h

2）排水管径和管路趟数计算。

根据下面公式计算排水的管径：

式中：

QB—正常涌水量，m3／h，取35.2；

Vp—经济流速，m／s，取1.5～2.2；

计算得：dp=75.2mm，即需要1趟4英寸排水管。

2.2 钻孔设计及要求

1）探放水设备。

采用ZYJ-500／160架柱式液压回转钻机。

2）钻孔布置。

根据采空区积水标高866～882m，为了确保安全，水头压力不大于0.05MPa探放一次，超前距取30m.在28107工作面运输巷，设计Z1、Z2、Z3、Z4共4个钻孔进行探放。钻孔设计参数见表1.

表1 钻孔设计参数表

3）单孔设计。

钻孔开始0～10.0m用113mm的钻头钻进，然后安装孔口装置，安装好孔口装置后按65mm孔径钻进。

4）套管结构及安装。

a）套管为长10.0m直径为89mm的无缝钢管，在主管外侧端头用d8mm钢筋焊制2个半圆环。

b）在套管外侧焊接1个配套法兰盘并配备闸阀和水压表及流量仪。

c）用麻袋和聚胺脂使套管与围岩固定，在钻孔上下0.3m按与套管成15°角各打1根2.0m的树脂锚杆，并用8#铁丝或链环把锚杆与套管固定牢固（见图2）.

图2 钻孔结构示意图及孔口套管示意图

2.3 施工组织

1）该矿地质测绘中心负责组织探放水队，制定钻探设计，现场给定钻孔方位、倾角，由探放水队进行钻探。

2）该矿通风科负责随时掌握工作面的有害气体涌出情况，按《煤矿安全规程》有关规定，及时制定通风措施，并安排1名瓦检员跟班作业。

3）该矿开掘科负责解决钻探过程中供电、供水和排水问题，并派1名电工，2名水泵工跟班作业。

4）该矿运输科要及时清理南一下组运输大巷、760东运输大巷的水沟，并保证畅通。

5）该矿安监处派1名安监员跟班作业，负责监督检查钻探过程中工作面的安全状况，发现安全隐患及时督促处理。

6）该矿调度室负责在工作面设置电话1部，距探测地点不得超过50m，保证钻场的通讯联系。

2.4 钻孔施工成果

该矿地质测绘中心2014-04-19—08-19在28107工作面运输巷共施工6个放水钻孔，其中由于实际情况需要，在设计基础上增加了2个钻孔。各钻孔具体参数见表2.

表2 各钻孔具体参数表

2.5 封孔

放完水后，关严阀门，并保持阀门灵活可靠，以便随时观察水情。

3 成果分析

该放水共计施工6个钻孔，其中Z1、Z2、Z3钻孔打通采空区后无水，Z4钻孔打通采空区后出水量约为40m3／h，套管上压力表显示出水头压力为0.06 MPa，大于0.05MPa，因此，在Z4钻孔附近增加Z5钻孔。由Z4钻孔打通采空区时的水头压力可推算出积水上限标高为875m.截止至2014年6月4日Z4钻孔流量仪显示出单孔放水量为2894m3，孔内水流量约为3m3／h，为采空区动态补给水。掘进至巷道最低点处施工Z6钻孔，打通采空区时出水量约为20 m3／h，最终Z6钻孔单孔放水量为765m3.该次探放28109采空区积水放水总量Q为3659m3，根据积水上限标高和8#煤层底板等高线图推算积水面积S为5321m2，28109工作面煤厚h为4.78m.

根据公式：k=Q／Sh式中：

k—积水系数（积水系数为经验数值）；

Q—总放水量，m3；

S—积水面积，m2；

h—煤层厚度，m.

计算得：k=0.14

放水前预计28109采空区积水面积为17770 m2，积水量为15992m3，与实际相差较大。分析其原因有：1）采空区积水面积预测偏大。28109工作面回采完毕至今约16个月，该区太原组灰岩含水层富水性较差，实际积水上限标高为875m，未达到882 m，根据8#煤层底板等高线图可计算实际积水面积约为预测积水面积的1／3.2）积水系数k取值偏大，放水前预计时k取0.2，经实际计算k值为0.14.

4 结 论

在28107工作面运输巷共施工6个钻孔对28109采空区积水进行了探放，放水总量为3659m3.初步估算，解放16.27万t压煤量，创造经济利润约8137万元。

通过对28109采空区实际放水量与预计积水量进行对比分析，计算出积水系数k值为0.14，再结合该矿原来经验积累的k值0.20，总结得出该矿南一下组采区8#煤采空区积水系数取值在0.14～0.20.应用此值提高了预测矿井采空区积水量的准确性，对该矿具有一定的实践指导意义。

［1］ 王秀兰，刘忠喜.矿山水文地质［M］.北京：煤炭工业出版社，2007：9.

［2］ 柴登榜，龙荣生，王定武，等.矿井地质工作手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1986：12.

［3］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2011：89-90.