工作面上覆采空区积水防治技术分析与应用

李文东

（晋能控股煤业集团马脊梁矿有限公司，山西 大同 037000）

采空区积水造成的水害事故具有时间短、水量大和破坏性强等特点，易产生人员伤亡事故，在水害事故中占较大比例。2000～2017年，我国共发生1 173 起煤矿水灾事故，死亡4 760 人，水害事故严重威胁到了矿井的安全高效生产。为了保证采空区积水下工作面的安全回采，本文以马脊梁煤矿为研究背景，对上覆采空区积水条件下的8105 工作面安全回采技术展开研究。

1 工程背景

1.1 工程地质条件

马脊梁煤矿3#煤层8105 工作面北东、南东为盘区运输巷、盘区辅助运输巷、盘区回风巷，北西为实体煤，南西为8103 采空区。煤层厚度4.20～8.53 m，平均6.53 m，煤层顶底板岩性见图1（a）。8105 工作面对应的上覆地表为沟谷相间的丘陵和台地，有圈马沟及支沟、长沟及支沟局部穿越该工作面，冲沟发育，除雨季外常年处于干枯无水状态。

图1 煤层顶底板岩性柱状图

8105 工作面3#煤层与上覆14-3#煤层采空区间距195.71～246.05 m，平均224.48 m，14-3#煤层顶底板岩性见图1 （b）。8105 工作面巷道穿过8604 工作面采空区、8604 工作面实煤区、8606 工作面实煤区、8606-2 工作面采空区和8604 工作面采空区及实煤区。

1.2 工程问题

由于受采动影响地表产生裂缝，在雨季时降水沿地表裂缝下渗至8105 工作面上覆采空区，上覆采空区积水可能通过断层裂缝和导水裂缝带对8105 工作面的安全回采带来威胁。

2 上覆采空区积水区下工作面安全评价

2.1 上覆煤层采空区积水区分析

对于上覆采空区积水分布情况采用瞬变电磁法［1］进行探测。瞬变电磁法是利用地面布置的发射线圈向发射回线（TX）通以脉冲，使产生一次磁场激励起感应涡流；待断电后产生二次磁场，通过钻孔中的线圈探测（电磁感应）二次场含有的地质体地电信息；根据含水体和岩体电阻率的不同，对接收回线（RX）得到的地电信息进行提取，进一步确定积水区范围，工作原理见图2。

图2 瞬变电磁法工作原理

考虑到该方法的局限性，将其与直流电测深法（主要依靠人工建立的稳定电流场）结合［2］。由于两者原理基本相同，均利用电阻率差异，结合探测距离、探测方向、地层倾角等多种物探、地质因素进行分析，将两者结果对比，准确估算8105 工作面上覆采空区积水的分布情况。

本次采用瞬变电磁与直流电测深相结合的方法，对马脊梁煤矿8105 工作面上覆采空区积水进行物探探测，结果见图3。

图3 8105 工作面物探结果

由图3 可知，8105 工作面上覆存在6 处异常区，分别位于盘区皮带巷巷口往里0～123 m、0～243 m、503～717 m、602～918 m、1 607～1 902 m和1 745～2 456 m 的范围内。估算的积水面积分别是19 900 m2、28 842 m2、13 477 m2、18 118 m2、19 432 m2和64 200 m2，估算的积水量分别是4 300 m3、8 652 m3、4 043 m3、5 435 m3、5 829 m3和13 900 m3。综上所述，该工作面上覆采空区异常区的估算积水面积总计为163 969 m2，估算的积水量总计42 159 m3。

根据8105 工作面等高线实测图和揭露的地质构造，结合坑透数据分析，2105 巷从盘区皮带巷往里676 m 揭露落差1.8 m 的正断层，分析工作面距盘区巷600～800 m 之间为本次探测区域物探Ⅰ号坑透异常区，可靠程度中等，分析异常区为断层带及多层夹矸引起的电磁波衰减。因此，应注意断层是否含水或者含有瓦斯，回采工作前应特别注意水的排放与瓦斯的抽放。

2.2 导水通道分析

根据《煤矿防治水手册》中的“两带”高度计算方法［3］，导水裂缝带最大发育高度Hli可按式（1）计算。

式中：m为煤层开采高度，m。

将3#煤层厚度6.53 m 代入式（1），计算得导水裂缝发育高度最大为87.62 m。依照工程经验，一般导水裂缝发育高度为采高的18～25 倍，现按最大倍数进行预计，开采3#煤层导水裂缝带发育高度最大为163.25 m。无论通过经验公式和工程类比，裂缝最大发育高度皆小于3#煤层与采空区的层间距（195.71～246.05 m），可以排除采动影响下采空区积水通过导水裂缝直接流入8105 工作面的可能性。

但在8105 回采巷道掘进中揭露3 条断层，分别为2105 巷从盘区运输巷轴向内676 m 和2 497.6 m处依次见H=1.80 m∠41°及H=0.60 m∠64°的正断层。5105 巷从盘区运输巷轴向内1 114 m见H=1.20 m∠40°的正断层，该断层斜穿工作面到2105 巷距盘区皮带巷676 m 处穿出，落差为H=1.80 m∠41°的正断层。无法排除8105 工作面上覆14-3#煤层采空区局部低洼处积水，在采动作用下通过断层和构造裂隙通道，可能下泄至8105 工作面，造成水害事故。因此必须探明上覆采空区积水区分布范围，并提出相应措施。

3 地面疏放水技术

为了避免上覆煤层采空区积水对8105 工作面安全回采的影响，应设计合理的防治水方案对水患威胁进行治理。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［4］，8105 工作面上覆采空区积水的补给来源为地裂缝的降雨入渗，水源补给来源不稳定。

疏干排水是目前应用最广泛的一种防治地下水危害的有效方法，主要分为地表疏干、地下疏干和联合疏干。根据8105 工作面的实际采矿技术条件，可选择从地表施工钻孔至采空区积水区，用深井泵将地下水排出地表，以降低水位达到安全开采目的。采用地表疏干排出的地下水不易受污染，可直接用于工农业生产及生活用水，且容易控制地下水下降速度，在一定程度上可减轻因排水而引起的地面塌陷。为实现8105 工作面的安全回采，综合考虑应选择地面超前疏干（放）方法对其上覆采空区积水进行处理。

4 地面疏放水技术及效果

依照《煤矿防治水细则》、《煤矿安全规定》及同煤集团下发的《探放水设计标准》，探明8105 工作面上覆7#煤层、11#煤层、14-2#煤层和14-3#煤层异常区水文情况及气体情况，并对采空区积水进行合理疏放，确保8105 工作面安全回采。

4.1 地面疏放水技术方案

探放水孔，共计10 个，从地面垂直打至14#煤层底板。若异常区无积水，则终止钻进；若异常区存在积水，则钻进至8105 工作面回采巷道内，并在底部孔口安装阀门，控制采空区积水排放，直至放完为止。钻孔参数见表1。

表1 地面探放水钻孔坐标

钻孔结构参数为开孔孔径153 mm，终孔孔径73 mm，其它详细参数见图4。

由图4 可知，先打153 mm 的初孔，铺设Φ146 mm 的无缝钢管套管10 m；再用钻头直径50 mm正常探水，待出水后用直径73 mm 的钻头扩孔放水。水压表安装在止水套管外露部分，法兰盘焊接于底部，钻孔出水后通过控水阀门控制水量，通过水压表观测水压数值。止水套管和孔壁之间用专用的滤水花管。通过套管两侧布置锚杆固定套管。固定好套管后，通过耐压试验（孔内注水试验），检验30 min内注水后水压表读数是否能稳定达到采空区水压的1.5 倍。若满足，则符合要求；否则，仍需进一步注浆加固。

图4 地面钻孔结构

4.2 地面疏放水效果

8105 工作面上覆煤层采空区积水区疏放钻孔涌水量随时间的变化规律见图5。

图5 钻孔出水量

由图5 可知，6月份钻孔出水量达到最大值137 m3/h，随时间的变化，钻孔出水量逐渐下降，历时6 个半月，钻孔出水量降至0 m3/h。10 个钻孔中，除8#钻孔无出水外，其余钻孔出水量均在2 000 m3以上，6#钻孔出水量最大，达到了8 325 m3，地面探放水钻孔共计疏放采空区积水40 105 m3，达到积水区预计总量的95.12%，实现了8105 工作面的“疏水降压”，满足了工作面安全生产的需求。

5 结论

为了解决采空积水条件下工作面安全回采问题，以马脊梁煤矿8105 工作面研究对象，采用现场探测、理论分析和理论计算等方法展开研究。结论如下：

1）雨季大气降水沿采动裂缝的下渗，造成了8105 工作面上覆采空区积水；

2）断层和构造裂隙是8105 工作面与上覆采空区产生水患的主要原因；

3）通过布置地面疏放降压钻孔，有效保证了8105 工作面的正常回采。