四老沟煤矿水灾预治理技术实践

赵 通

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 引言

煤矿水灾是造成煤矿人身财产损失的原因之一，发生煤矿水灾时，其应急救援非常困难，也会对煤矿造成很大程度的破坏。尤其在水源较为丰富的地方，发生水灾可能直接导致矿井淹没[1-2]。而水灾过后，井下生产机械设备基本全部报废，并且难以开展排水修巷等工作。因此，针对煤矿水灾的预前处理、防治[3-4]有非常重要的意义。

四老沟煤矿C3-5#层8102工作面上部存有老空区积水，若开采时不对上部老空区存在的积水进行处理，就易产生煤矿水灾事故的问题。根据8102工作面所测的上部老空区积水的积水储藏量以及其工作面上部相关岩层厚度的具体参数，通过理论分析计算出掘进期间的防隔水煤柱、岩柱和回采期间的防隔水煤柱或岩柱厚度，从而为掘进或回采前期探放水提供相关参考参数；对此次探放水选择了物探、化探、钻探三者相结合的方式，确定了具体的施工参数，并通过实际排水，解除了四老沟煤矿C3-5#层8102工作面的水灾隐患。

1 工程地质概况

1.1 地质概况

C3-5#层8102工作面5102巷及其绕道井下位于3-5#层主运大巷北部，工作面东部为四老沟煤矿与白洞煤矿矿界，北部、西部未开拓。C3-5#层8102工作面5102巷走向长735 m。该工作面同层东部与白洞煤矿相邻，南部是四老沟煤矿3条盘区大巷，西、北两面无采掘情况。对应上覆的4#、8#、11#层存有一定的采空区积水，积水量约为5万m3。8102工作面整体为一单斜构造，整体南部较高，东部较低。该工作面部分位于火成岩侵入范围内，工作面高差为50 m左右。该工作面东部79 m有F4断层，H=10 m，∠69°。预计工作面内将有F4断层出现以及陷落柱其衍生的小断层。在工作面西部190 m处有一陷落柱。

1.2 水患分析

根据该工作面周边积水和构造情况分析，水害隐患主要为东部白洞煤矿上覆侏罗系4#、8#、11#层采空区积水和断层区域，易发生水害事故。该工作面上覆4#煤层主要为402盘区8201、8202、8203、8204、8205、8206、8207、8208、8209、8210工作面采空区，层间距约410 m，8#层盘区巷，11#层辅301盘区81002、81004、81006、81008、81010、81012工作面。现估计上覆存有约5万m3积水，在掘进施工过程中需要施工探顶孔，且在工作面进行回采工作前应对上覆采空区进行相关的探放水分析研究，进行采空区积水探放。

2 隔水煤(岩)柱的厚度理论分析

理论计算的防隔水煤柱、岩柱[5-6]分为掘进期间的防隔水煤柱、岩柱和回采期间的防隔水岩柱。掘进期间的防隔水煤柱、岩柱又分为掘进前方预留的防隔水煤柱和可能存在的上覆积水层底板至掘进工作面顶板之间的防隔水岩柱。回采期间的防隔水岩柱主要为回采工作面顶板至可能存在的上覆积水层底板之间的防隔水岩柱。

2.1 掘进期间同层积水隔水煤柱的厚度理论计算

断层含水或导水时，隔防水煤柱、岩柱公式为

(1)

式中：L—煤柱留设的宽度，m；K—安全系数(一般取2～5)；M—煤层厚度或采高，m；P—水头压力，MPa；KP—煤的抗拉强度，MPa。根据C3-5#层8102工作面地质条件，安全系数K为5，煤层的厚度M为12 m，水头压力P为0.1 MPa，煤的抗拉强度Kp为1.0 MPa。经计算，3-5#层安全隔水煤柱厚度理论值为16 m。

2.2 掘进期间上覆积水防隔水岩柱厚度计算

3-5#层掘进时顶板隔水岩柱按《煤矿防治水规定》要求必须大于掘进高度的10倍，则防隔水煤岩柱要求高度为

H>12×10=120 m

据计算值，因3-5#层和上覆最近的11#层层间距为300 m左右，大于120 m，但3-5#层和上覆11#层之间有较大量的采空区积水，故在掘进时需施工探顶孔。

2.3 回采期间上覆积水防隔水岩柱厚度计算

回采时顶板隔水岩柱高度必须大于顶板导水裂隙带高度以及与保护层厚度之和。顶板隔水岩柱高度应为

H>HL+HB

(2)

式中：HL—顶板导水裂隙带高度，m；HB—保护层厚度，m。

再根据“三下”采煤理论公式

(3)

式中：HL—顶板导水裂隙带高度，m；∑M—开采层累计采厚，3-5#层因只开采一层煤，故取采厚为12 m。计算得HL为113.9 m。

计算保护层厚度

HB=7A

(4)

式中：HB—保护层厚度，m；A—采高，取12 m。计算得HB为84 m。

所以3-5#层回采时顶板隔水岩柱高度理论计算值为

H>HL+HB=113.9+84=197.9 m

因3-5#层和上覆11#层层间距约为300 m，大于计算值。但为确保安全，3-5#层8102工作面回采前(两顺槽掘进时)必须编制专项探放水设计，对上覆区域可能存在的积水予以探放。

3 探放水设计及实践

掘进期间应该物探、化探与钻探相结合[7-9]，先进行物探与化探，再进行钻探。具体要求是必须在掘进端头先进行物探，如巷道内掘进端头有淋水，必须及时进行水质化验。根据物探和水质化验综合分析结果，科学合理地布置钻探孔，对前方、上方及左右两方进行钻探验证。

3.1 井下物探

施工设计：采用瞬变电磁法进行超前探测时，共布置横向探测方向13个，其可分为左帮巷道面(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)右侧帮巷道面(0°、15°、30°、45°、60°、75°)。横向探测的每个方向总共设置3个纵向不同探测角度，在与巷道顶板成45°夹角情况下，对巷道前方顶板进行探测；在沿着岩层方向情况下，向其前方直接进行探测；在与巷道底板成45°夹角情况下，对巷道前方底板进行探测；13个水平不同探测方向总计39个不同测点数据。所有异常区角度以设计探测角度为准。

现场施工布置：现场施工布置按照施工设计进行，从180°开始，间隔15°，一直到0°结束。分13个水平探测方向，收集总计39个不同测点数据。

结论分析：每次物探有效探测距离为100 m。根据探测数据，对前方地质及水文地质情况进行分析，如无低阻异常区，在钻探验证的基础上可向前掘进80 m，留设20 m安全距离。

3.2 超前钻探

钻孔布置：物探无异常情况下，探放水孔每组1个孔。1#孔在工作面迎头正中处，沿巷道掘进方向，长度60 m，仰角按煤层倾角，物探异常时，探放水孔每组3个孔。其中1#孔在工作面迎头正中处，沿巷道掘进方向，长度60 m，仰角按煤层倾角；2#孔在1#孔右边间距1 m，与1#孔夹角依次为15°，孔深60 m；3#孔以1#孔为轴，与2#孔对称分布。沿巷道掘进方向，长度60 m，仰角按煤层倾角，超前距必须保证30 m。

注意事项：开孔至终孔孔径为57 mm直至终孔，每个探放水钻孔都必须按给定位置、方位，倾角施工，也可根据施工地点实际情况在前后0.3 m内调整，但必须同时调整方位、倾角确保终孔位置不变。在钻具接近终孔位置时，要密切注意孔内返水量及钻具的变化，发现异常，立即停钻检查，旋紧钻杆向调度室汇报。

3.3 实践效果

排水方法：采用37 kW潜水泵2台，其他为小功率潜水泵。临时水仓设置在巷道地势低的位置，规格为4 m×2 m×1.5 m。排水管路φ108 mm，长度6 m/根，材质为PE管，排水管路在每个临时水仓处要安设三通和逆止阀。

实践效果：在C3-5#层8102工作面两顺槽掘进期间，根据此探放水设计施工参数做了具体的施工，对老空区所存积水采用了探放水技术处理，及时解决了可能发生的水灾事故，确保了煤矿的人身安全与生产安全。

4 结论

(1)进行水患分析后，确定了可能导致水患的老空区积水及其含量，明确了进行探放水的重要性。

(2)通过理论计算，得到了掘进期间同层积水隔水煤柱厚度与上覆积水防隔水岩柱厚度、回采期间上覆积水防隔水岩柱厚度，根据其值进一步确定了进行探放水的必要性。

(3)提出了物探、化探、钻探相结合的探放水水灾预治理方案，同时确定了相关的施工参数，在C3-5#层8102工作面进行了实际工程应用，及时解决了水灾隐患，确保了煤矿能够安全生产。