孤島工作面雙側采空區積水探放技術應用

張敏銳

(陜西省應急管理廳,陜西 西安 710018)

0 引言

中國煤礦多采用井工開采,在工作面回采結束后由于覆巖垮落,導水裂隙帶發育,地下水會聚集到采空區[1]。隨著時間的推移,采空區水位不斷抬升,這將會對鄰近工作面巷道掘進以及后期的回采造成極大危害[2-3]。對于雙側采空區均含積水的孤島工作面而言,這種危害更大[4]。自20世紀90年代以來,我國煤礦發生水害事故多由采空區積水潰發引起,其占比高達80%以上[5-6]?？茖W確定采空區積水疏放方案,應考慮積水量、鉆孔組數、角度及其相關的技術要求、排水系統的設計安排等諸多因素[7-9]。結合建莊煤礦212工作面的實際情況,制定采空區疏放水方案,在212工作面回風巷及膠帶運輸巷施工過程中,對采空區積水進行疏放,防止和減少水害事故發生,保障工作面巷道安全掘采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

建莊煤礦位于黃隴侏羅紀煤田東北部,井田主采4-2煤層,煤層平均傾角3°,平均厚度5.54 m,一般埋深為450～730 m。212工作面是井田二盤區的孤島工作面,其北部與210采空區相鄰,南部與214采空區相鄰。工作面基本頂以砂巖為主,裂隙不發育,直接頂為泥巖;底板主要為碳質泥巖和泥巖,其次為細砂巖和粉砂巖。212孤島工作面布置如圖1所示。

圖1 212孤島工作面布置Fig.1 Layout of 212 island working face

1.2 水文地質條件

建莊煤礦區域內水文地質條件較為簡單,地下水主要由松散層孔隙和基巖裂隙含水層組成[10]。

含水層:建莊煤礦主要包括第四系松散層孔隙含水層、洛河組砂巖裂隙孔隙含水層、侏羅系中統直羅組砂巖裂隙孔隙含水層、侏羅系中統延安組局部砂巖裂隙孔隙含水層,各含水層的厚度、水位埋深、單位涌水量、滲透系數等參數與類型見表1。其中洛河組砂巖裂隙孔隙含水層是影響煤層開采的最主要的充水含水層,全區分布,厚度7.35～457.8 m,主要在河流溝谷及其支溝出露,巖性以巨厚狀中-粗粒砂巖為主,大型斜層理發育,含孔隙裂隙水。該含水層水位埋深8.7～153.4 m,單位涌水量0.007 1～2.9 L/s·m,滲透系數0.008 2～8.5 m/d,富水性由弱增強。

表1 含水層鉆孔抽水試驗統計

隔水層:建莊煤礦主要隔水層有①新近系粘土隔水層,巖性為淺棕紅色、棕紅色黏土、亞黏土,為松散巖類與基巖含水層之間的穩定隔水層;②白堊系下統華池組相對隔水層,一般厚度100～200 m,巖性主要為紫紅色泥巖、砂質泥巖夾粉砂巖、細粒砂巖;③白堊系下統華池組相對隔水層,礫巖泥鈣質膠結,磨圓度好,致密堅硬,透水性極差;④侏羅系中統安定組相對隔水層,一般厚25 m左右;⑤侏羅系下統富縣組和三疊系上統延長群相對隔水層,為不規則非連續分布的相對隔水層。

2 采空區積水量及煤柱承載水壓能力計算

212工作面兩側的采空區積水不僅會弱化煤柱,降低煤柱強度,而且會對212工作面回采造成突水事故隱患,為此,需要確定采空區的積水區空間位置、積水區外緣標高、積水線、探水線、警戒線,計算采空區的積水量情況和煤柱承載水頭壓力,可確保工作面巷道的正常采掘。

2.1 采空區積水量計算

210工作面和214工作面回采結束后,均在采空區低洼處會形成積水區;210采空區積水線標高為+877.6 m,采空區最低底板標高為+835 m;214采空區積水線標高為+876 m,采空區最低底板標高為+835 m。積水量采用公式計算如下[11]

Q空水=KMF/cosα

(1)

式中,Q空水為采空區積水量,m3;K為充水系數,一般取0.25～0.5;M為采空區平均采高線或煤厚,m;F為采空區積水區的水平投影面積,m2;α為煤層的傾角,(°)。

根據建莊煤礦實際情況,K取0.3,210工作面煤厚為6.5 m,實測采空區面積為221 774 m2,工作面傾角3.59°;214工作面煤厚為6 m,實測采空區面積為266 708.5 m2,α為煤層傾角,煤層平均傾角為1.82°。將上述參數代入式(1),求得210和214采空區的積水量Q采分別為43.3×104m3和48.0×104m3。

2.2 煤柱承載水壓能力計算

212工作面回風巷與210采空區之間的煤柱寬度僅為15 m,212工作面膠帶運輸巷與214采空區之間的煤柱寬度為19 m,212孤島工作面兩側煤柱的承載水壓能力,根據《煤礦防治水細則》附錄中的公式計算[12]

(2)

式中,L為煤柱寬度,m;K為安全系數,一般取值為2～5,取3.5;M為平均采高,與采空區積水量計算的取值相同,m;P為實際水頭值,MPa;Kp為煤的抗拉強度,一般取0.2～1.4 MPa,實測4-2煤的抗拉強度0.74～0.76 MPa,取0.7 MPa。將數據帶入公式(2),計算得212工作面15 m回風巷和19 m膠帶運輸巷煤柱能夠承載的水頭壓力分別為0.41 MPa和0.77 MPa。

經測量210和214采空區積水的水頭壓力分別為0.25 MPa和0.23 MPa,均未超過煤柱承載水頭壓力(0.41 MPa和0.76 MPa),由此判斷煤柱處于穩定狀態。

3 兩側采空區積水疏放水方案

為保證212工作面安全采掘,必須對兩側采空區積水進行疏放,從而到達消除采空區積水造成的威脅。

3.1 疏放硐室

考慮到212工作面回風巷和膠帶運輸巷煤柱寬度、210采空區底板標高等因素,在回風巷和膠帶運輸巷分別施工3個和2個采空區積水疏放硐室,疏放硐室布置如圖2所示。當回風巷掘進至距二盤區輔助運輸巷1 380 m、1 650 m、1 800 m時,施工1#、2#和3#采空區積水疏放硐室;當膠帶運輸巷至1 330 m和1 600 m時,施工4#和5#采空區積水疏放硐室。每個疏放硐室內布置3個疏放鉆孔,進行采空區積水疏放,鉆孔布置如圖3所示,鉆孔距巷道底板高為1.5 m,鉆孔間距為2 m,鉆孔的詳細參數見表2。

表2 鉆孔設計參數

圖2 212工作面兩側采空區疏放硐室布置Fig.2 Layout of discharging chambers of 212 working face’s two-side goaf

圖3 疏放鉆孔布置Fig.3 Layout of discharging borehole

3.2 疏放鉆孔施工

嚴格按照疏放水鉆孔設計參數(見表2)進行疏放水鉆孔施工,使用全站儀放線,現場標定方位線及開孔位置,以保證疏放水的準確性。

鉆孔與孔口管安裝:使用ZDY3200S型鉆機配合133 mm鉆頭進行水壓致裂鉆孔施工。若遇塌孔,可采用“取芯下管”法開孔下管,即把孔口管的短接從中間鋸開,制成鋸齒狀,連接到孔口管上。在孔口管的末端安裝一個變頭,使孔口管與鉆桿連接,經鉆機鉆進,孔口管直接進入煤壁中,連接孔口管達到設計深度后,使用89 mm鉆頭進行掃孔,排除孔口管內煤渣,掃孔深度不得超過孔口管長度。

封孔和耐壓測試:孔口管安裝后,采用標號為42.5R水泥,水灰比控制在0.6～0.8∶1之間進行封孔,注漿固結24 h后,進行掃孔,超過原孔深0.1 m。封孔結束后進行耐壓測試,試驗壓力不低于4.5 MPa,壓力穩定30 min以上孔口及圍巖石無松動、無漏水現象,視為合格,否則重新對套管進行注漿?？卓诎惭b高壓閥門,透孔后待采空區積水疏放穩定后,方可連接管路將積水引入水倉。

3.3 采空積水疏放排水系統

在212回風巷2#疏放硐室中施工疏放水倉,安裝離心泵,利用159 mm管路將疏放的清水排出,將1#疏放硐室的放水孔安裝引流軟管自壓至2#疏放水倉。在3#疏放硐室煤墻側再施工1個水倉,利用潛水泵將該處疏放的清水同樣排至2#疏放水倉,利用離心泵排出。在212膠帶運輸巷4#疏放硐室施工水倉,將5#疏放硐室水倉中的清水排至4#疏放水倉,利用離心泵排出。

排水路線:采空區積水→212回風巷、膠帶運輸巷→二盤區膠帶運輸巷→二盤區水倉→膠帶運輸大巷→中央水倉→地面。

4 疏放水效果

在212回風巷和膠帶運輸巷掘進過程中,隨著對采空區疏放水時間的持續,鉆孔水頭水壓逐漸降低。巷道掘進施工完成后,210采空區水頭壓力僅為0.05 MPa,回風巷共疏放水28.9×104m3,其中1#疏放硐室平均每小時放水量為60 m3,2#和3#疏放硐室每小時放水量均為75 m3。214采空區水頭壓力僅為0.08 MPa,膠帶運輸巷疏放水24.6×104m3,4#和5#兩疏放硐室放水量為140 m3/h。在212回風巷和膠帶運輸巷及切眼掘進過程中,兩側采空區積水未對巷道掘進造成突水災害,取得良好的治理效果。

5 結論

(1)通過對采空區積水水頭壓力和212工作面煤柱的承載能力計算分析,210和214采空區積水的水頭壓力分別為0.25 MPa和0.23 MPa,均未超過煤柱承載水頭壓力(0.41 MPa和0.76 MPa),煤柱處于穩定狀態。

(2)結合建莊煤礦212孤島工作面特點,針對兩側采空區積水,采用兩側多點位同時探放方案,探放效果顯著,210和214采空區的水頭壓力降至0.05 MPa和0.08 MPa,消除采空區積水對212工作面巷道掘進產生的隱患,實現巷道的安全掘進。