巨厚含水层补给采空区探放水技术应用

张宝锋，余智秘，韩定锋，张旺余

(陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

彬长矿区井下回采期间主要水害威胁为工作面顶板垮落裂隙发育导通上覆巨厚含水层形成的顶板水害，但随着矿井回采工作面不断增加，老空水也逐渐成为制约矿井安全生产的主要因素。老空水静储量大且受顶板水长期补给[1 -3]，目前主要的防控措施为自流疏放、留设防隔水煤柱等，但受到冲击地压和复杂地质构造威胁，以上措施使用范围有限。为有效解决老空水害的威胁，同时兼顾防灭火、瓦斯、冲击地压等多重隐患交织的情况，需对以往的探放水手段进行优化和完善，从而达到解除水害威胁同时不引起其他次生灾害发生的目的[4 -6]。为此，以胡家河煤矿采空区积水探放水工程为例，对探放水设计及施工进行研究。

1 工作面概况

1.1 工作面水文地质概况

402103综放工作面是胡家河矿井在402盘区布置的第一个工作面，南侧为大巷煤柱，北侧为无煤区，西侧为402102工作面(402盘区第2个工作面，已回采完毕)，东侧为402104工作面(未开采)，如图1所示。该工作面可采长度1 897 m，倾向长180 m，可采面积341 460 m2，埋深586～710 m，工作面地层整体向北西及北北东方向倾斜，倾角3°～9°，一般在5°左右，可采煤层厚度平均为13 m，于2016年12月回采封闭结束。工作面涌水来源主要为顶板洛河组砂岩孔隙裂隙含水层，该含水层平均厚度332 m，富水性中等，工作面回采后洛河组含水层水通过导水裂隙进入工作面形成持续稳定出水，回采期间正常出水量400 m3/h、最大涌水量450 m3/h。

图1 402103工作面位置示意Fig.1 Location diagram of 402103 working face

1.2 工作面积水区形成过程

402103工作面剖面整体成“V”字型，且运输巷整体低于回风巷，因此工作面推采过最低点，后通过最低点附近2个导水联巷将老空水经运输巷导至402103泄水巷进行滞后排水。402103工作面西侧为402102工作面，该工作面整体走势与402103工作面类似，且由于煤层赋存原因，402102工作面煤层整体低于402103工作面，因此在2个工作面之间设计施工导水联巷，待402102工作面推采过最低点后，将402103工作面老空水通过导水联巷利用高差自流至402102工作面采空区，然后2个采空区涌水经最西侧402102泄水巷排水系统将共同排至中央二号水仓，至此402103泄水巷排水系统撤出、巷道封闭。之后由于采空区垮落导水通道堵塞，402103采空区在向斜轴部形成积水区，老空积水补给来源主要为顶板洛河组砂岩含水层水。

1.3 采空区水文物探成果

从402104回风巷向402103采空区实施了直流电法探测，用以探查该采空区积水区位置和分布特征。图2为402103工作面采空区积水异常成果图，可以看出视电阻率等值线整体在42～56。结合相邻巷道淋水情况，发现该段采空区积水范围较广，积水区已延伸至工作面边界附近，该工作面上覆含水层水通过F7断层及其裂隙向采空区域进行补给。402104回风巷与402103工作面之间煤柱宽约39 m，横向上可起隔水作用，故分析采空积水对402104工作面掘进威胁有限，但随着工作面回采，煤层裂隙发育同时受到F7断层影响，防隔水煤柱稳定性降低可能会造成水害事故，应在回采前对402103采空积水区做疏放水工作。

图2 402103工作面采空区积水异常成果Fig.2 Results of abnormal water accumulation in goaf of 402103 working face

1.4 面间防隔水煤柱留设情况

402104工作面与402103工作面间留设有39 m宽防隔水煤柱。其中，在工作面最低点402104回风巷与402103水仓间垂直煤柱为10 m，根据《煤矿防治水细则》附录六防隔水煤(岩)柱的留设公式计算2个工作面间防隔水煤柱宽度[7 -9]。

(1)

考虑受巷道掘进以及冲击地压影响，煤体较为破碎，因此式(1)中K取3，M取4 m，p取0.4 MPa，Kp取0.2 MPa。得出2个工作面间防隔水煤柱宽度应不小于14.7 m，但目前实际最小煤柱宽度为10 m，不满足规定的要求。

2 采空区积水治理方法

2.1 工程背景

至402103工作面回采结束时涌水量为450 m3/h，4个月后就衰减至350 m3/h，20个月后衰减至130 m3/h，说明工作面回采结束后老空垮落阻挡了回顺侧涌水未导流至泄水巷，造成工作面水量积聚水面上升，参考相邻矿井内已回采工作面涌水量变化趋势分析，目前402103工作面涌水量约为290 m3/h，即回顺侧涌水量约为150 m3/h。随着采空区水量不断补给和相邻402104工作面采掘活动深入，加之向斜轴部附近防隔水煤柱宽度存在无法满足回采期间阻隔高水头积水区的可能，因此急需采取积水区探放水解危措施。

2.2 探放水方案

此次探放水工程目的是对402103积水区物探成果进行验证，并对老空水进行提前疏放，解除老空水害威胁。因此，探放水作业终孔位置为402103回风巷及水仓，均位于侏罗系延安组下段4号煤层中。钻孔设计依据《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》，本次共布置探放水钻孔9个(TF1～TF9)，开孔位置均在402104回风巷副帮侧，孔径均为94 mm，钻孔施工前对钻孔附近进行注浆加固，然后安装孔口管，并在孔口安设防喷闸阀。钻孔具体参数见表1，钻孔平、剖面布置如图3所示。

表1 注浆钻孔实际施工参数汇总

图3 402103工作面积水区探放水钻孔平、剖面Fig.3 Plan and profile of water detection and water release drilling hole in 402103 working face pools zone

2.3 探放水施工

探放水作业前在巷道最低点安设有2套排水系统，最大排水能力1 720 m3/h，安设3趟φ315 mm、1趟φ159 mm排水管，其间最大疏放水量为420 m3/h，完全满足排水需求。探放水钻孔由探放水队采用专用ZDY-4000L型煤矿井下全液压坑道钻机施工，孔口安装防喷分流闸阀，孔口管长度均大于6 m，固管24 h后进行耐压试验，稳压3 MPa、持续时间30 min，历时15 d完成全部钻孔施工工作，探放水队严格按照设计参数施工，各单孔施工结束后进行单孔验收，各孔施工时均严格按照设计参数执行，探放水钻孔相关情况汇总见表2。钻孔初始涌水量除TF1孔较大外，其余各孔水量均较小，由于受施工前后顺序影响各孔水压有所不同。

表2 注浆钻孔实际施工参数汇总

3 探放水工程经验总结

3.1 现场施工经验总结

TF1孔由402104回风巷穿过10 m厚保护煤柱至402103回风巷，该孔贯通后水量最大且后续泄水期间水量一直较为稳定，但受较高水压压力冲击孔内出水伴随有煤渣出现。考虑到煤柱稳定性，该孔一直用阀门控制放水量。以上情况足以说明采空区水压达到一定值之后可以对煤柱造成较大破坏，尤其是煤柱内施工有各类钻孔时，应严格管控向防隔水煤柱内施工各类钻孔，发现导水裂隙应及时采取注浆加固封堵等措施防止出现水害事故[10 -12]。本次探放水施工前以钻孔为中心直径2.5 m范围内对10 m厚煤柱进行深浅孔注浆加固，注浆孔角度与探放水钻孔角度一致，孔径均为φ42 mm，全孔深下注浆管(其中孔底留0.5 m长花管，其余为孔口管长)。所用注浆材料为SCPJG-2矿用复合加固材料(浅部孔和深部孔)和SCPJG-3高强度水泥(中部孔)，满足加固速率快、强度高等要求。

3.2 疏放水数据分析

通过分析积水区疏放水期间水位及放水量变化，计算出不同水位标高段采空区积水面积、积水量以及孔隙率，见表3。分析发现该工作面回采后煤层向上至顶板3～5 m处孔隙率为10%～70%，说明该段煤岩体至直接顶段垮落较为充分，再向上岩层处于裂隙发育和弯曲下沉状态空隙率较小，为3%～10%。402103积水区水位标高和采空区空隙率变化关系如图4所示，通过本次采空区疏放水观测，对以往的采空区空隙率值界定进行了科学地修订，能够为以后采空区水量判定以及治理工作提供可靠的依据。

表3 402103积水区疏放水期间各因素计算分析

图4 402103积水区水位标高和采空区空隙率变化关系曲线Fig.4 402103 water level elevation of pools zone and change curve of void ratio in goaf

4 结语

经过约90 d疏放水最终402104回风巷最低点低于积水区水面4 m左右，总疏放水量稳定在160 m3/h。通过计算面间煤柱最小处10 m符合规定，说明已基本消除了采空区积水对工作面安全生产威胁，工作面可以安全生产。同时，经过本次探放水作业综合分析各孔泄水量以及压力变化，对物探成果中富水异常区进行了充分验证，因此在本矿井以后的工作面采掘施工前，应及时采取物探加钻探方式查清巷道内出水点水源，针对异常富水区域以及相邻采空区积水进行超前探查和疏放，以确保采掘施工不受水害威胁。