小煤柱沿空掘巷疏放采空水关键技术及应用

李 忠

（晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部，山西 长治 047500）

目前，小煤柱沿空掘巷已在多数煤矿应用。然而，小煤柱沿空掘巷不可避免会受同层采空区积水影响。采空区突水具有时间短、水量大、破坏性强等特点，因此，煤矿采空区积水疏放是矿井防治水的重要任务[1-2]。

1 工程概况

同发东周窑井田位于山西省左云县，井田面积101.412 9 km2，矿井生产能力1000 万t/a，矿井服务年限为65 a。可采煤层有山4、5、8-1、8-2 号，煤质以长焰煤为主。井田地质构造复杂，水文类型为中等。目前主要开采煤层为山4 号层、C5 号层。

以山4 号层5103 沿空掘巷为研究背景，巷道西侧为山4 号层8102 工作面采空区，5103 巷和2102巷间隔6 m 保护煤柱。由于小煤柱沿空掘巷煤柱距离较近，存在采空区积水涌出威胁巷道安全的可能，因此防治水是巷道掘进过程安全保障工作中一项极其重要的工作。

2 小煤柱沿空掘巷水患分析

矿井有3 层含水层，自上而下主要有：①第四系松散层含水层；②石炭-二叠系碎屑岩含水层；③寒武-奥陶系岩溶裂隙含水层。较稳定的隔水层有石炭系本溪组铁铝质泥岩隔水层以及第三系黏土隔水层。

5103 小煤柱掘进巷道主要水患威胁为相邻采空区积水及顶板砂岩弱含水层淋水。

1）顶板弱含水层。山4 号煤层距顶板K8 砂岩含水层21.60～36.01 m，平均28.81 m，K8 砂岩以中粗砂岩及含砾砂岩为主，属弱含水层。

2）同层采空区积水。相邻工作面回采后顶板垮落，顶板含水层水长时间涌出会造成采空区低洼处大量积水，且采区无泄水巷，工作面回采后会形成大量积水而无法疏放，对沿空掘巷构成水害威胁。

3） 工作面山4 号煤层距上覆侏罗系层间距280～300 m，正常情况下导水裂隙带波及不到上侏罗系采空区，因此上覆小窑积水对工作面采掘无影响。

综上所述，相邻采空区积水为影响沿空掘巷防治水安全的主要因素。掘进过程中需“逐步解压、循环放水”，超前疏放同层积水，同时配备完善的排水系统，确保巷道安全掘进。

3 采空区积水参数的确定

3.1 采空区积水分析

由于煤层倾角、断层、褶皱等因素，造成工作面两巷掘进存在坡度起伏变化，工作面回采后涌水积于低洼区域，形成大面积采空区积水。

5103 巷掘进里程600～1200 m 整体呈背斜趋势，局部伴生宽缓的波状起伏及断层，造成相邻8102 工作面采空区低洼地段汇集积水。通过工作面标高及已施工探孔情况，分析积水标高从而确定积水范围及积水形态。工作面布置图及采空区积水图如图1 所示。

图1 山4 号层5103 巷布置图及相邻采空区积水形态图

3.2 工作面采空区积水量确定

对矿井及周边矿井采空区积水量进行统计，分析总结采空区充水系数，见表1。

表1 同发东周窑矿采空区充水系数表

利用梯形法计算采空区积水量[3-4]，公式如下：

式中：W为采空区积水量，m3；K为采空区充水系数；M为工作面采高，m；S为采空区积水面积，m2；α为煤层倾角。

5103 巷为例，K取0.3；相邻8102 采空区积水面积S取125 529 m2，采高M取5.0 m；煤层倾角α取2°，利用公式计算采空区积水量为226 262 m3。

4 小煤柱沿空掘巷防治水技术

4.1 采空区积水“安全高度”

巷道进行疏放水工作时，首先需确定积水安全高度。根据水平压力防水煤柱留设公式[5]，得出采空区积水“安全高度”计算公式。

式中：H为小煤柱沿空掘巷采空水安全高度；a为防水煤柱宽度；Kp为煤层抗拉强度。K为安全系数(一般取2～5)；L为巷道宽度；n为标准大气压水柱高度系数，103.36 m/MPa；a为煤柱宽度6 m；K取安全系数5；L为巷道宽度5 m；Kp为煤层抗拉强度1.0 MPa。代入公式计算H为0.794 m，即相邻采空区积水安全高度为5103 巷底板上0.794 m。

针对采空区积水“安全高度”，分析如下：

1）当采空区积水水位高度小于0.794 m 时，巷道正常掘进。

2）当采空区积水水位高度大于0.794 m 时，巷道存在水害危险，必须停止掘进，采取疏水措施，待排水后水位下降到安全高度巷道方可掘进。

4.2 小煤柱沿空掘巷疏水技术

巷道施工时严格执行“有掘必探、先探后掘”制度，掘进时向采空区施工探孔，利用水位计实测采空区水位高度，结合掘进巷道标高计算采空区侧相对水位高度。当采空区积水高于掘进巷道水位安全高度，必须停掘放水；待采空区积水低于安全高度时，方可恢复掘进。

在巷道帮部直接探放水不仅不安全，而且影响正常掘进施工，为此，确定采用“水仓疏放为主、迎头短探为辅”的方式进行探放水。

4.2.1 疏放采空区积水

巷道掘进至临近采空区积水区时，在巷道非小煤柱侧开设水仓，一般规格为长4 m×宽4 m×深3m，采用专用探放水钻机打孔疏放采空区积水，布置6～8 个钻孔，钻孔布置在水仓内部，方位角为垂直煤柱，钻孔倾角、长度依据实际情况“一孔一策”。

以5103 巷700 m 水仓处探测方案为例，设计6个疏水钻孔，开孔位置均位于水仓底板上0.5 m。为保证水仓完整、防止探孔塌孔，探孔间距为0.5 m。为施工便捷，钻机选用ZLJ-700 型钻机，钻杆直径42 mm，钻头直径94 mm。预计单孔放水量大于10 m3/h的探孔必须安装止水套管（长度大于2 m）。钻孔施工时在孔口安装三通，一端连接排水管路，在管路上安装双阀门，有效控制放水量，另一端为钻机施工钻孔，在孔口安装防水档板，防止水压大伤人，并减少水量泄露淹没施工钻机。

施工剖面示意图如图2 所示，具体参数见表2。

图2 山4 号层5103 巷水仓钻孔放水剖面示意图

表2 疏水钻孔施工参数

4.2.2 掘进过程探测保障措施

在正常的探放水循环下补充短探措施，每掘进5 m 布置1 个钻孔对相邻采空区积水进行探测，钻孔布置在工作面迎头右帮距离巷道底板0.5 m 处，垂直煤柱施工探水孔，探孔必须穿透隔离煤柱进入采空区，如图3 所示，具体参数见表3。

图3 掘进迎头探测钻孔示意图

表3 掘进迎头探测钻孔参数表

钻孔见空无出水时，立即用树脂药卷加水泥对钻孔进行封堵；钻孔出水时，确认水位标高并在相同位置距离巷道底板0.8 m（安全高度）处补充施工1 号补探孔，钻孔孔深、方位角、倾角同1 号钻孔，若钻孔不出水立即对钻孔进行封堵；若1 号补探孔出水则巷道停止掘进，对采空区积水继续进行疏放，确保相邻采空区积水高度小于积水安全高度。

4.2.3 完善排水系统

计算单孔出水最大流量，确定每循环施工疏放水孔数，根据疏放水量及高差进行排水设备、设施选型。

基于伯努利方程修正的单孔出水最大流量计算公式：

式中：q为单孔出水量，m3/h；ω为钻孔断面积，m2。D为钻孔直径，m。g为重力加速度，9.81 m/s2。H为钻孔出口处水头高度，m。L为探放水钻孔孔深，m。λ为水头沿程阻力系数，0.02。

计算5103 疏放水孔，H依据实测取4 m，L为孔深11.2 m，带入计算单孔最大涌水量为29.7 m3/h。

巷道依据单孔最大涌水量提前完善排水系统。在原有6 寸排水管路基础上，增设3 趟6 寸排水管路，配备5 台流量不低于80 m3/h 的大功率水泵，设置水泵备用开关及电路，确保排水系统能力足、稳定性高。

水仓最大排水能力达400 m3/h，远大于钻孔最大排水量29.7×6=178.2 m3/h，排水能力满足要求。

4.3 小煤柱沿空掘巷防治水实施效果

按照上述开挖水仓，在水仓内施工放水孔的方式，对5103 巷疏放相邻采空区积水。在施工钻孔及放水过程中重点检查探孔施工质量、排水系统的完好性及排水能力、放水效果和实测放水量等情况，确保现场科学有效施工。水仓疏放水现场如图4 所示。

图4 水仓疏放水现场图

山4 号层5103 巷具体疏放效果如下：

1）巷道里程740 m 水仓，内部共施工8 个放水钻孔，已不出水，累计放水量15 684 m3。

2）巷道里程760 m 水仓，内部共施工8 个放水孔，已无水，累计放水706 h，共计放水量5 186 m3。

3）里程780 m 水仓，内部共施工6 个放水钻孔，已不出水，累计放水672 h，共计放水量11 385 m3。

4）里程811 m 水仓，内部共施工9 个放水钻孔，已不出水，累计放水1 022 h，共计放水量47 702 m3。

5）里程840 m 水仓，内部共施工10 个放水孔，已不出水，累计放水962 h，共计放水量63 177 m3。水仓配备1 台37 kW，1 台45 kW 水泵，共有2 趟排水管路。

6）里程874 m 水仓，内部共施工6 个放水钻孔，实测出水量合计18 m3/h，累计放水535 h，共计放水量34 962 m3。水仓配备2 台37 kW 水泵、3 台45 kW水泵，共设置3 趟排水管路。

5103 巷累计放水量202 779 m3，疏降水位18 m，每循环均将采空区积水疏放到“安全高度”下。5103 小煤柱沿空掘巷经过科学疏放采空水，有效解除水患，为巷道掘进及回采提供有效安全保障。

5 结 语

1）通过工作面实测标高及已施工探孔数据，分析积水标高，从而确定积水范围及积水形态，应用梯形法采空区积水量公式计算采空区积水量，其预计的采空区水量与实际疏放水量基本一致。

2）提出采空区积水“安全高度”理论，即高于“安全高度”时，巷道立即停止掘进，采取水仓施工钻孔放水法，探放采空积水。

3）水仓施工钻孔放水法可最大程度排水、最短时间降低水位。此外，在水位下降到安全高度后巷道迎头可正常掘进，放水钻孔止水套管及阀门、排水管路等不影响掘进设备的运行。与巷道帮部放水法相比，具有疏水时间短、疏放效果好、影响时间短、排水系统可靠等优点，有效排解水患，为采掘接替和矿井安全、高效建设提供了治理经验。