复杂条件下大水工作面的综合水害防治技术应用

张亚南

（开滦集团 钱家营矿业分公司，河北 唐山 063301）

0 引 言

钱家营矿井共包括7 个含水层，其中直接充水含水层3 个，分别为第Ⅲ含水层（12-1煤层底～14煤层顶砂岩裂隙含水层）、第Ⅳ含水层（5 煤层底至12-1煤层顶含水层）、第Ⅴ含水层（5 煤层顶板砂岩裂隙含水层）。对矿井生产影响最大的是第Ⅴ含水层。1358 西顶板含水层为5 煤层顶板砂岩裂隙含水层。目前该含水层水位为-646.17～-231.08 m。从5 煤层向上依次分为3 段（ⅤA、ⅤB和ⅤC），富水性中等，局部较强，是矿井主要充水水源之一。已采工作面中最大涌水量达4.0 m3/ min（2075 东工作面），该含水层涌水量为0.060 3～0.228 L/（s·m），渗透系数为 0.095 ～4.526 m/d。水质类型为重碳酸钠型或硫酸重碳酸镁钠型，工作面揭露该含水层涌水后沉淀乳白色胶状物质。该含水层含水性不仅与岩性有关，同时也受补给条件和构造断裂控制，整个含水层在井田范围内具有典型的裂隙水特点。

1358 西工作面是钱家营矿首个倾向开采工作面，且下伏煤层已回采，经分析工作面区域地质及水文地质条件，采取超前疏放5 煤层顶板含水层、施工下探泄水工程和优化排水系统的综合防治水技术，保证了大水工作面安全高效生产。

1 工程概况

1358 西工作面位于井田东翼三采区5 煤层，为倾向开采，倾斜上方1357 西已采毕，倾斜下方暂未设计工程。下伏7 煤层1378 西、2071 西、2072 西工作面已采完，下伏9 煤层1397 西、2091西工作面已采完，下伏12-1煤层2022 西工作面已采完。除此之外，暂无其它工程。 工作面标-632.2 — -589.5 m，工作面平均走向长171.4 m，倾斜长709.4 m，煤层厚度0.6 ～2.0 m，平均煤厚1.2 m，煤层厚度变化较大,工作面内部大部分区域煤厚小于1.3 m；煤层倾角1°～10°，平均6°。煤层走向N83°～N343°，工作面北部变化较大，呈向斜发育，南部较平缓。

1.1 地质概况

工作面地质构造简单，回采过程中受褶曲、地质构造和顶板压力影响，造成煤、岩层稳定性较差，易冒顶和劈帮。

工作面掘进时共揭露断层9 条，落差0.5 ～1.1 m，其中1358 西-f1、f7 落差为0.7 m，受其影响，造成掘进时破板厚度增加，断层附近顶板破碎、易冒落，其余位于切眼外部，对回采无影响；工作面内部大部分煤厚M＜1.3，局部存在M＜0.7 薄煤区，将造成回采过程中割顶、底板厚度增加，局部可能全岩。

1.2 水文地质概况

该工作面主要受5 煤层顶至A 层砂岩裂隙含水层影响，根据导水裂缝带公式：±5.6，计算得出5 煤层导水裂缝带高度为16.14 ～27.34 m，该工作面回采过程中，将导通5 煤层顶板含水层,5 煤层顶板含水层富水性中等，局部较强。工作面回采前337 m，下伏7 煤层无回采工作面，回采337 m 至外口下伏2072 西、2071 西、1378 西工作面已回采，由于下伏煤层采动影响，巷道掘进过程中此段裂隙发育且有淋水，风运道总淋水达到了0.4 m3/min，分析此区域裂隙含水，该工作面预计正常涌水量1.31 m3/min，最大涌水量1.97 m3/min。

2 综合防治水技术

研究钱家营矿以往水害事故案例发现，造成水害事故主要是由于5 煤层顶板裂隙水引起的。5 煤层顶至A 层砂岩裂隙含水层Vc段在整个5 煤层顶板含水层中含水性最强，裂隙最发育，也最容易出现水害事故，该工作面正处在5 煤层顶板含水层VC段，需引起高度注意。结合该矿实际及多年防治水经验，对5 煤层顶板水害治理通过超前疏放，将承压含水层的水头值降到安全水头值以下；结合现有地形特点，通过向下伏煤层工作面施工泄水孔，减轻工作面泵排水压力；最后优化排水工程，保证工作面安全高效生产。

2.1 超前施工疏水降压工程

2.1.1 音频电透视勘探

钱家营矿1358 西工作面音频电透视采用120 Hz 和15 Hz 频率探测。120 Hz 实际测量顶板深度0～50 m，共发现1 处相对低阻区，为1 号相对低阻区；15 Hz 实际测量顶板深度50 ～80 m，共发现1处相对低阻区，为1 号相对低组区（图1）。

120 Hz 的相对低阻区分布：1 号相对低阻区位于运道120 ～180 m、风道220 ～240 m，范围较大，连续性较好，相对富水性较强。

15 Hz 的相对低阻区分布：1 号相对低阻区位于运道80 ～180 m、风道120 ～130 m，范围较大，连续性较差，相对富水性较弱。

图1 1358 西音频电透视成果平面Fig.1 Plane of 1358 west audio electro-fluoroscopy results

2.1.2 超前探查工程

根据矿井5 煤层顶板等水位线图推测1358 工作面5 煤层顶板含水层水位-500 ～-640 m，推测目前该工作面5 煤层顶板含水层最大水头高度为120.6 m，最大水压1.18 MPa。

1358 西5 煤层含水层富水性探查工程共设计12 个钻孔，根据1358 西工作面音频电透视勘探成果资料分析决定，设计2、3、8、11 号孔主要对相对低阻区进行验证（图2）。

图2 1358 西5 煤层顶板探查钻孔总结平面Fig.2 Summary plane of 1358 X5 coal seam roof exploration drilling

1358 西共设计12 个钻孔，实际施工10 个孔探查钻孔，工程量905.4 m，5 号、6 号孔由于运道无法摆放钻机等原因未能施工。工作面内施工2号、11 号孔对1 号50 ～80 m 相对低阻区进行验证，其中2 号孔水量小于0.01 m3/min，11 号孔水量 0.05 m3/min。施工 3 号、8 号孔对 1 号 0 ～ 50 m相对低阻区进行验证，其中3 号孔水量0.02 m3/min，8 号孔水量0.1 m3/min。出水钻孔通过水质化验结果分析，出水水源为5 煤层顶板含水层水，与矿井东部5 煤层顶板含水层水质类型相同，水质无异常。

截止回采前已累计放出水量24 968.8 m3，水压由预测值1.18 MPa，下降至实测最大值0.45 MPa，承压含水层的水头值降到安全水头值以下，符合安全回采条件。

2.2 施工泄水孔

为减少泵排水费用及人力物力的投入，通过分析下伏7 煤层老巷具备泄水条件，决定在运道施工下探泄水孔，保证工作面回采出水后能够立即排出，确保防治水安全，该方法是在钱家营矿首次试用，工作面共施工4 个下探孔，总工程量134.2 m。回采过程中，通过在十采二中运斜石门观测1358西下泄孔水量，发现水量由未施工的0.02 m3/min，逐步增大至0.6 m3/min，泄水效果明显，工作面回采初期涌水量124 m 范围内，涌水均通过泄水孔下泄至7 煤层老巷，采面涌水未对回采产生影响，由九采运斜石门排出，实现自流排水，极大地节省了人力物力，为回采创造了良好的水文地质条件。

2.3 优化排水工程

1358 西工作面风、运道总体上下山施工，但采面存在向斜构造，形成“两边高、中间低”的地形，采面中间有洼坑，遇到突发水量增大的情况非常容易造成淹礃事故，针对工作面实际情况，做了大量排水工程。

2.3.1 工作面排水工程

（1） 环形水仓。在运道Y13 点附近（洼坑）施工环形水仓，水仓外口小川内施工4 m×2 m×1.0 m 的沉淀池。

（2） 水沟。在工作面运道Y17 ～Y13 测点巷道挖设600×400 mm 的水沟202 m，水沟两侧码砌煤袋子。

（3） 沉淀池。从运道Y17 ～Y13 测点前36 m，每隔50 m 挖1 个沉淀池，共计3 个沉淀池。

2.3.2 工作面排水设备及管路

（1） 1358 西工作面回采至Y17 测点之前，在切眼下口，设2 台BQW50-100-37 kW 排沙泵（1台使用，1 台备用），回采至Y17 点后，2 台泵移至环形水仓。

（2） 1358 西环形水仓处配备 3 台 BQW50-100-37kW 排沙泵，2 台使用，1 台备用，双电源、双开关。

（3） 在 1358 西运道 Y13 测点后退 30 m 沿运道、运煤集中巷至三采下部平石门5 煤见煤点处铺设2 趟φ108 排水管路，长1 140 m，共2 280 m。

（4） 从1358 西运道水仓外口（Y13 测点后退30 m 处） 沿切眼、风道至风道运料川铺设1 趟DN-108-2 排水管，长960 m。

（5） 在三采下部平石门5 煤见煤点至-600 东大巷铺设1 趟φ108 排水管路和1 趟φ219 mm 排水管，长740 m，共计1 480 m。

（6） 所有水泵出水口与排水管连接管管径不得小于水泵出水口径，必须保证其耐压强度，以确保水泵正常排水能力。

2.3.3 工作面排水路线

回采每个区段均有至少2 种排水路线，使工作面排水有了多重保障。

（1） 切眼至运道Y17 点之间的涌水。

①运道—切眼—风道—1358 西运料川—三采下部平石门—-600 东大巷—-600 水仓—地面。

②运道—3 号钻窝泄水孔—2072 西老塘—十采二中运斜石门—十采轨道山—-780 东轨道大巷—-850 东大巷—-850 水仓—-600 水仓—地面。

③运道—环形水仓—集中运煤巷—5 煤边眼—三采下部平石门—-600 东大巷—-600 水仓—地面。

（2） 1358 西工作面运道Y17 点至Y11 点后退12 m 之间的涌水。

①运道—3 号钻窝泄水孔—2072 西老塘—十采二中运斜石门—十采轨道山—-780 东轨道大巷—-850 东大巷—-850 水仓—-600 水仓—地面。

②运道—切眼—风道—1358 西运料川—三采下部平石门—-600 东大巷—-600 水仓—地面。

③运道—环形水仓—集中运煤巷—5 煤边眼—三采下部平石门—-600 东大巷—-600 水仓—地面。

（3） 运道 464 m（Y11 点后退 12 m） 以外的涌水。

①运道—5 号钻窝泄水孔—2072 西老塘—十采二中运斜石门—十采轨道山—-780 东轨道大巷—-850 东大巷—-850 水仓—-600 水仓—地面。

②运道—集中运煤巷—5 煤边眼—三采下部平石门—-600 东大巷—-600 水仓—地面。

3 结 论

1358 西回采预计正常涌水量为1.31 m3/min，最大涌水量为1.97 m3/min，回采过程中，采面顶板只有少量滴淋水现象，水量0.01 m3/min，工作面总水量0.8 m3/min。

（1） 今后受5 煤层顶板水威胁的工作面应首先考虑疏水降压。工作面回采涌水量与预计涌水量相差较大，主要原因为1358 西工作面上邻1357 西工作面已回采完毕，下伏2072 西、2071 西、1378西工作面已回采完毕，对5 煤层顶板水进行了长期的疏放，再次在本工作面回采前对5 煤层顶板含水层水进行了有效的疏放。

（2） 具备条件的工作面应重点考虑施工下探泄水孔。在钱家营矿首次采用1355 西工作面泄水孔发挥了重要作用，工作面总涌水量的75%均通过泄水孔下泄至7 煤层工作面经十采二中运斜排出，降低了泵排水费用。

（3） 在不具备施工泄水巷的工作面，应考虑施工环形水仓。1358 西施工环形水仓，形成了缓冲空间，水量增大后不易造成工作面大面积积水，避免了在低洼点处，动水冲刷巷道造成的巷道淤积现象。