多采空区覆盖下远距高精度超前探放水技术的应用

成永斌

(开滦精煤股份有限公司范各庄分公司, 河北 唐山市 063100)

0 引 言

矿井水灾是煤矿常见的灾害之一,一旦发生轻则影响煤炭正常开采,重则会造成人员伤亡,危害十分严重[1]。我国很多煤炭企业已经开采多年,现阶段已经进入了深部开采,然而在开采过程中最常见的水灾形式就是采空区积水揭露。采空区积水属于静压水,其特点是水量高度集中,补水差,一般含有酸性,有刺鼻味,有害气体含量较高,一旦揭露,就来势汹汹,防不胜防,不仅影响工作环境、降低煤的质量,而且对人员伤害和设备损害较大[2-5]。因此,选取正确的工艺和方法解除采空区积水,不仅能减低开采成本,而且可以改善工作条件,最大化保证开采人员的安全。

冀东某矿进入下组煤1325SX工作面煤层的开采,该工作面上覆有1325S、1327S和1427N采空区,并且同层内有1427N泄水巷,中间夹有多层灰岩含水层,属于较为复杂水力关系的采空区积水区域。在对1325SX工作面回采过程中,顶板塌陷可能形成导水通道,导致上覆1325S、1327S和1427N采空区、1427N泄水巷的积水和煤层之间的灰岩水渗到工作面,造成涌水量突增,对人员和设备造成不可挽回的损失。

1 工作面概括

冀东某矿1325SX工作面位于一水平南三石门以南,走向长1129 m,倾向长182．2 m,面积205704 m2,煤厚0．7~2．32 m,煤层倾角6°~13°,在地面有第57号孔,此区域12S半与12S间距约1．5~5．5 m。区域直接顶和基本顶为9．32 m厚的石灰石岩。本次进行探放水的巷道为1325S运道巷、1327S工作面风道巷、1427N泄水巷,三条巷道都已经掘进完毕,其支护方式都为锚杆支护。1325S运道巷规格(宽×高)为6．5 m×3．6 m;1327S工作面风道巷规格(宽×高)为7．5 m×3．6 m;1427N泄水巷规格(宽×高)为4．8 m×3．5 m。

2 积水范围圈定及积水量预测

2．1 积水范围圈定

考虑到1325SX工作面上覆多个采空区积水情况复杂,常规的积水范围圈定不能行之有效,因此对1325SX工作面超前探水工作采取了层次分析法(简称AHP)[6]。将与1325SX工作面存在复杂水利联系的采空区和巷道看成一个系统,将这复杂系统按超前探放水的总目标顺序分解若干区域探放水目标。

(1)1325S采后有一定积水空间,在1327S工作面施工时已打钻疏放,考虑到时间较长,有可能形成二次积水,这会对1325SX面回采重新构成一定水患威胁;

(2)1427N采空区采后因泄水通道堵塞也可能有一定积水空间,对1325SX运道施工构成一定水患威胁;

(3)1325SX工作面同层的1427N泄水巷长197 m,上半段为12S下,下半段为12S。1325S可通过泄水巷预留泄水孔补给泄水巷,1427N采空区在12S段与泄水巷连通,水力联系复杂,对探放水工作造成干扰,必须进行可靠的分析验证;

(4)在第57孔区域,1325SX工作面与1325S工作面在此区域间距很小,约为1．3~4．2 m,同时因其年久失修,容易导致局部堵塞造成积水。最后结合水文关系图、历史开采资料确定了积水范围的圈定,如图1所示。

图1 采空区位置关系、积水空间及钻孔布置

2．2 采空区积水量预测

采空区积水范围圈定后,确认积水量是探放水工作中至关重要的一环,需要收集详细的水文地质资料,通过在采掘工程平面图上全面分析研究,绘制出积水空间(见图1),进而确定范围和积水量,以正确指导老空水超前探放工作[7]。采空区积水计算公式为:

式中,F为采空积水区的水平投影面积,m2;K为充水系数,采空区取0．25~0．80,岩巷取0．8~1．0;L为巷道长度,m;M为采空区的平均采高,m;Q积为相互连通的各积水区总积水量,m3;∑Q采为有水力联系的煤层采空区积水量之和,m3;∑Q巷为与采空区连通的各种巷道积水量之和,m;W为积水巷道原有断面,m2;α为煤层倾角,(°)

其中充水系数K依据放水实验及经验,5年以下新采空区取0．32,5年以上老采空区取0．2;1325工作面区域煤层倾角6°~13°,α取平均值9°。

采用以上公式估算得各个采空区积空间:1325为4830 m3、1427为1500 m3、1427泄水巷为800 m3,合计7130 m3。

3 探放采空区积水设计

在分析1325SX工作面探放水施工过程中,水力联系复杂,远距离、小间距是探放水工程面临的主要难题。通过1325SX工作面四邻采空区水力联系、采空区积水范围、采空区内地质构造、煤层产状等,依据《煤矿安全规章》[8]、《煤矿防治水规定》[9]决定采用远距高精度超前探水方案,该探水技术跟传统短距离回转钻探相比,可以有效减少钻探工作量,节省成本,而且精准性高,安全性好,具有明显的技术优势和经济优势[10]。探放水钻孔要求终孔位布置在积水区域最洼点。根据使用的钻机的规格,选择合适的方位、倾角、孔深,以此确定选择合适的开孔位置,并依据探放水的先后顺序进行编号。

3．1 探放水钻孔布置

此次探放水工作共设计了6组钻孔,见图1。

(1)为有效探放1325S采空区积水,依据水文关系图设计1325S积水区最佳点为钻点,既在1325S运道768 m处施工打钻,得到1＃钻孔。

(2)1427N泄水巷下部出口经调查堵塞无水,为验证1427N泄水巷积水段,依次设计于1325S运道807 m施工3个探水钻孔,得到2＃孔钻为泄水巷最洼点放水。为防止泄水巷下部出口段堵塞,积水补给至1427N采空区,施工3个钻孔,若泄水巷下部出口没有堵塞,则在泄水巷下段半施工4＃孔验证泄水巷是否堵塞。

(3)为验证1427N采空区积水,从泄水巷向1427N采空区最洼点施工5＃探水钻孔。

(4)为验证第57孔区域局部是否因堵塞造成积水,在此区域最低洼点进行钻孔,得到6＃探水钻孔。

3．2 钻孔技术参数

依据探水钻孔布置,按照钻孔技术参数施工钻孔。本次探放水钻孔详细参数见表1。

3．3 钻进精度要求

上覆工作面1325S运道与1327S工作面风道间距很小,1427N泄水巷较为狭窄,小间距、远距离探放采空区水对探放水工作的精度要求很高,1＃~4＃探放水钻孔的精度见表2。

表1 钻孔参数

表2 钻孔精度

3．4 钻进装置安置要求

依据各个施工参数,结合现场实际,钻探队采取了带导向钻进,根据6个钻孔编号依次进行施工,钻进过程中多次进行角度核对严格控制钻进角度,保证钻孔精确施工到位。本次使用ZD-4000LD钻机进行现场施工,开孔孔径设计为110 m,终孔孔径设计为75 m,使用钻头直径为108 mm。采用Φ108 mm孔口承压套管,均长10 m,用42．5＃水泥注牢,采用专用封孔器压风吹水泥浆封孔,等水泥浆凝固24 h后进行扫孔,扫孔深度应该大于孔口管长0．5 m。扫孔24 h后,对封孔进行耐压试验,试压1．0 MPa,30 min套管不动不漏视为合格,否则重注。验证合格后,安装闸阀和水压表,从而能人为控制排放水,并根据采空区水量大小来调节闸阀,控制放水。

3．5 单孔涌水量预计

依据单孔涌水量估算公式,预计各探水钻孔出水量。

式中,H为钻孔出水口的水头高度,m;c为流量系数,0．6~0．62;g为重力加速度,9．8 m/s2;q为钻孔出水量,m3/s;ω为钻孔断面面积,m2。

按各探水钻孔终孔孔径计算钻孔最大放水量Qmax分别为Q1max＝1．0 m3/min、Q2max＝0．79 m3/min、Q4max＝0．56 m3/min、Q5max＝0．59 m3/min,采掘单位据此安装泵排水设施。

4 现场应用效果

1＃孔钻透1325S采空区,初测采空区积水水头压力0．2 MPa,经钻孔最大涌水量约0．6 m3/min。共计疏放采空区积水约3600 m3,通过施工该钻孔,解除了上覆1325S采空区积水对1325SX工作面回采的水害威胁;2＃孔钻透1427N泄水巷,初测采空区积水水头压0．14 MPa,涌水量约0．5 m3/min;3＃孔钻透1427N泄水巷,涌水量约0．001 m3/min;4＃孔钻透1427泄水巷,初测采空区积水水头压力0．064 MPa,涌水量约0．005 m3/min。根据以上探放水情况,解除了1427N泄水巷对1325S工作面回采的水害威胁。5＃孔钻透1427N采空区,初测采空区积水水头压力0．07 MPa,涌水量约0．01 m3/min;施工6＃孔,该孔钻透采空区,累计钻进7 m,有明显见空,无水。根据以上钻孔验证情况,彻底消除了工作面上覆采空区积水的水害威胁,确保了该工作面能够安全回采。

5 结 语

通过此次远距离、高精度探放采空区积水,1325SX工作面解除了水害威胁,能够进行安全生产,同时总结了一套完善、科学、可行的探放水技术方案,积累了远距离、高精度探水钻孔设计、施工的宝贵经验,为以后类似的探放水工程奠定了坚实的技术基础。