极近间距煤层上覆采空区探放水方法分析研究

（西山煤电股份有限公司西铭矿 山西 030052）

1.引言

近些年，西山煤田多数矿井由于高强度的开采，上组煤已经逐渐开采完毕，转而进行下组煤层的开采。以西铭为例，井田内可采煤层有2#、3#、8#、9#煤层，其中二叠系下统山西组2#、3#煤层基本开采完毕，而石炭系上统太原组8#、9#煤层为矿井主力开采煤层，当上覆8#煤层开采结束，进行开采下部9#煤层时，受到了上部8#煤层采空区积水的影响，必须进行超前探放水，但由于8#与9#煤层的层间距仅有1.5m～3.3m，属于极近间距煤层群。为避免采空区积水不能彻底探放，在掘进过程中顶板裂缝积水溃入工作面，造成突水事故，为此，根据工作面存在的这一特点，进一步优化探放水方案，决定采取多种探测方法相结合方式进行探放水，保证工作面的安全掘进、回采。

2.工作面概况

(1)工作面地质概况

工作面上覆为8#煤层48709工作面采空区，8#与9#煤层间距1.5m～3.30m；工作面轨道巷、皮带巷为梯形断面，工字钢架棚支护；探放水孔施工区域9#煤层厚度为2.7m～3.9m，质软。所穿9#煤层伪顶页岩，节理发育，破碎容易冒落；直接顶为细砂岩，质硬，灰白色～灰色，近水平层理，含有黄铁矿，顶上有薄层页岩、砂质页岩，局部底部相变成砂质页岩。

据上覆8#煤回采资料推测，掘进中将揭露断层15条，其中落差大于1.0m断层11条；轨道巷掘进中将揭露陷落柱X9865，陷落柱周边煤岩层裂隙发育，松软破碎。

(2)工作面水文地质概况

工作面上覆为8#煤层48709采空区，开采时间为2015～2017年，开采方式为综采，采高3.5m，一方面工作面回采后受大气降水通过采动裂缝补给，在采空区的低洼处形成大面积的积水，另一方面受8#煤层的采动破坏，上覆含水岩层的裂隙水通过采动裂隙进入采空区，是积水的主要补给来源。

3.工作面积水量估算

通过测定积水压力，圈定积水区范围，老空区积水量估算采用类比分析估算法，可用下列公式计算：

Q=KFM/cosα

式中：Q—积水量，m3；

K—充水系数，取0.3；

F—采空区积水水平投影面积，m2；

M—采空区平均采高，m；

α—煤层倾角。

根据标高1016m圈定的积水范围面积为46772m2，48709开采高度为H=3.5m，根据上面公式可得到：

Q=0.3×46772×3.5/cos5°=85636m3

4.上覆采空区探放水技术研究

第一，首先坚持“物探先行，化探跟进，钻探验证”的防治水原则对工作面进行超前物探，工作面每掘进90m施工超前物探，查找低阻异常区。

第二，对工作面进行有掘必探，按照要求对工作面顺层进行钻探，钻孔深度设计75m（即长探），前方控制30m，工作面左右两侧控制20m，主要探查工作面附近的地质构造及地质异常体赋存情况，防止导水情况发生。

第三，对上覆采空区进行施工探放水钻孔，可参考物探探测成果进行布置探放水钻孔，探放水钻孔成组布置，设计孔深11～25m（即短探），可进行钻孔相互验证，必要时施工验证钻孔，保证积水疏放干净。

第四，采用锚杆钻机，掘进中每班对顶板垂直施工钻孔，首先探测工作面顶板上方积水情况，保证不顶水作业，避免发生突水事故；其次，探测顶板的厚度变化情况，为掘进中顶板支护提供决策依据，为后来工作面回采两端头超前维护提供数据参考。

(1)井下工作面物探

①基于多种干扰因素存在下的物探施工及异常区的判定

由于8#与9#煤层间距极近，工作面采用全架棚支护，棚间距0.6m，物探背景场受金属棚梁干扰，以下为几个物探关键点：

A.在现场施工时，将电阻率值相差较大的测点删除，重新探测，直至电阻率值趋于一致，方可进行下一测点数据采集。

B.对采集的原始探测数据进行预处理。将衰减异常的以及视电阻率值突变的归一化曲线删除。

C.对疏密变化较大的多测道曲线进行重新处理。

D.根据重新处理的曲线进行两种方式的滤波，并形成成果图。

②49709轨道巷9月20日超前物探成果（见图1、图2）

图1 探测工程平面图

图2 探测成果示意图

通过对成果图进行分析：顺层方向与顶板方向都显示不同程度的低阻异常现象，低阻异常位于左侧方向，前方20m～120m位置，顶板方向低阻异常是由于上覆采空区内充满积水引起的，顺层方向低阻异常是由于上覆采空积水通过顶板裂隙渗入煤层导致煤层裂隙充水引起的。

(2)探放水钻孔设计

针对物探探测成果，对低阻异常区方向进行施工探放水钻孔，钻探位置为49709轨道巷测6#前59m处，目的为探放工作面上覆8#煤采空区积水，本次钻探共设计2个探放水钻孔，2个探放水效果验证钻孔，钻孔方位偏左15°，设计为320°，钻孔倾角+10～15°，设计孔深11～25m，如钻孔未打通采空区，视情况补充钻孔1～2个，钻孔参数同设计钻孔一致。

探放水结束后，设计每班（每隔6米）使用锚杆钻机垂直顶板施工探孔，探测顶板厚度及采空积水情况。

(3)探放水效果

2020年10月20日～22日在49709轨道巷掘进至测6#前59m位置，共施工6个探放水钻孔，打通采空区，且钻孔出水，此次探放水约3200m3，水位垂高下降0.5m，水位线向前退15m，在允掘范围内向顶板施工钻孔验证，钻孔不出水，则顶板上方没有积水，没有顶水作业，从而保证了轨道巷不受水患威胁。

5.结论

（1）瞬变电磁法在处理数据时，其正演模拟和反推计算效果一般，发射信号及接收信号易受大型金属设备等的滤除，现场判断采集数据存在问题时，需首先对数据进行分析，对错误数据进行剔除，然后进行预处理，数据处理所采用的软件、方法对结果影响很大。

（2）采用多种探测方式探放近距离8#煤层采空积水是很好的办法，如此不仅排除了8#煤层采空积水，防止在49709轨道巷掘进过程中由于顶板疏漏而淹没工作面，还为掘进采煤期间的支护提供准确的顶板厚度数据。