整合煤矿老空区积水特征及治理

张茂生

(山西煤炭运销集团南河煤业有限公司,山西 晋城 048000)

2008年山西省煤炭资源整合完成后,矿井数减少至1053座,矿办主体由2 200个减少至130余个[1],整合矿井生产技术能力得到极大提升,然而普遍受到老空区积水威胁。小窑老空区积水作为矿井防治水的主要整治对象,具有分布复杂、水量大等特点[2],生产揭露或接近时,极易发生老空积水短时间突出,造成淹井、透水事故。作为严重安全隐患,老空积水勘探治理得到广泛研究,专家学者提出瞬变电磁等探测手段和疏放积水等防治方法[3],由于老空积水赋存复杂,治理手段有限,需要进一步研究。

以南河煤业3#煤层废弃煤巷及采空区积水治理为研究对象,采用理论分析和现场实测结合方法,对老空积水形成因素、治理方案和疏放钻孔设计等研究,以期解除老空积水对生产威胁,为类似整合矿井老空积水治理提供参考。

1 工程概况

南河煤业批准开采3#-15#煤层,现开采15#煤层,3#煤层已基本采空,矿井水患主要为3#煤层废弃煤巷及采空区积水,据估算井田内3#煤层采空区积水量约4.3169万m3。

该矿井上组3#煤层及下组15#煤层间距较小,平均80 m,15#煤层导水裂隙带最大高度68.9 m;开采3#煤层时底板产生一定深度的采动破坏,为10 m～15 m,因此开采15#煤层时最大导水裂隙带可以导通3#煤层采空区积水,3#煤层老空区的大量积水对15#煤层回采构成了较大威胁。

2 老空区积水形成因素

通过对矿井地质条件和整合小煤矿开采工艺特点分析,认为老空积水的形成主要有以下2个因素[4]:

一是煤炭开采引起上覆岩体的开裂、移动或垮落,形成矿井充水通道,致使地表水、雨水或上部含水层流入并以静水的形式存在于老窑采空区,同时也具有一定的动态增量,长年累月致使老空区积水量巨大但相对稳定。此类积水是以煤层埋藏较浅、导水裂隙带较发育的老空区的主要水源[2]。

二是部分老空区本身与某些充水水源具有一定的水力联系,此类涌水量通常较小,但为动态积水,由于大部分小煤矿主要以巷采、房柱式等落后的采煤工艺为主,顶板大多未垮塌,日积月累形成了大面积的富含水性老空区。此类积水是以覆岩较厚,顶板较好的采空区及空巷的主要水源,广泛存在于各类小煤矿老空区。

3 治理方案

3.1 治理方案的提出

根据3#煤老空区积水分布情况,提出以下采空区积水治理原则:充分利用现有工业场地,现有井筒和设施及15#煤回采系统;保证安全生产;系统合理、工程量小、见效快。基于上述原则,提出3#煤层采空区积水治理的四个方案[5]:

方案一:疏水巷抽排

该方案需启封主斜井井底密闭墙,修复利用主斜井至3号煤原井底车场间巷道,通至3#煤原井底车场,然后修复利用原3#煤层巷道,对3号煤老空积水进行抽排。

该方案分为旧巷维修和老空积水抽排两部分。①巷道维修:采用单体柱+板梁的方式进行临时支护,锚网喷支护形式进行永久支护,具体工艺及参数如图1、图2所示。

图1 探水巷修复临时支护示意图Fig.1 Temporary support for repairing exploration roadway

②老空积水抽排:在探水巷内见水点附近布置三台75 kW离心泵(两开一备用),接2趟4吋排水管路至主斜井井底水仓,利用主斜井排水系统直接将水排至地面。

该方案生产、排水系统简单,施工组织方便,能够准确定位采空区积水范围,进行有针对性的排水,现场排水情况比较明了,能够及时了解老空区积水情况;但前期巷修工程量大,耗费时间长,且因空巷密布,通风系统复杂,受排水巷内空间及辅助运输限制,大型排水设备布置困难,排水速度较慢。

方案二:地面钻孔抽排

该方案利用南河煤业3#煤层埋藏较浅(为80 m～150 m)的特点,采用地面钻探技术,在地面打钻井至老空区标高最低点,下放潜水泵,将积水从3#煤老空区直接抽排至地面,如图3所示。

该方案排水系统简单,全部为地面作业,对15#煤生产系统影响小,施工进度容易掌控,排水距离短,可有效缩短排水时间,施工组织简单,便于管理;但需准确确定采空区积水范围,尽量少打废井,钻井成本较高,老空区积水及排水情况不够直观。

方案三:地面钻探泄水

图4为下组煤层钻孔疏放水示意图。

图4 下组煤层钻孔疏放水示意图Fig.4 Water drainage with boreholes in lower coal seam

该方案是利用钻探技术在地面钻孔,穿透上下组煤层,将上组3#煤层老空积水泄至下组15#煤层,利用15#煤层的排水系统进行抽排的方法,钻孔在不同阶段采用不同直径的钻杆进行打孔,不同直径的套管采用活接的方式配合止水锥控制泄水量。

该方法适用于开采下组煤层,上组煤层含有老空积水的情况,具有施工速度快,成本低,泄水量容易控制;但施工工艺复杂,需对老空积水范围准确掌握,测量精准等特点。

方案四:下组煤层钻孔疏放水

该方案采用ZDY-3200S型煤矿用液压钻机,在15#煤层合适位置施工疏放水孔,并铺设专用4吋排水管路,疏放水孔形成后接套管直接与排水管路接通,泄下的积水通过4吋排水管路排至15#煤采区水仓,利用15#煤排水系统排至地面。

该方法能够充分利用15#煤层的排水系统,投入设备少,便于管理,施工、排水速度快的特点;但疏放水孔水头压力大,流量控制较难,容易对15#煤层采掘工作面及排水系统形成冲击。

3.2 方案的比较及选取

对以上四个方案进行比较如表所示:

通过综合比较,结合矿井现有技术力量及设备,决定采用方案四作为南河煤业3#煤层老空区积水治理方案,以求在最短时间内解决上组3#煤层老空积水对下组15#煤层采掘施工的威胁。

表1 南河煤业3#煤层老空区积水治理方案对比Table 1 Water control comparison in No.3 coal seam in Nanhe Mine

4 老空积水防治技术措施及效果

4.1 钻孔设计

采用在下组15#煤层钻孔疏放上组3#煤层老空积水时必须准确确定3#煤层老空区积水范围,根据南河煤业地质资料,疏放水钻孔参数如表2所示:

表2 疏水钻孔布置方式及参数Table 2 Layout and parameters of boreholes for water drainage

采用ZDY-3200S型煤矿用液压钻机,钻杆若干;探放水钻孔孔径为75 mm。

4.2 开孔及止水套管的技术要求

为防止钻孔打通3#煤老空区后,积水急剧涌出而造成淹井事故,施工前必须提前安装孔口止水套管,以控制疏放水量,止水套管安装如图5所示。

图5 止水套管示意图Fig.5 Water proof casing

止水套管安装方法:①先采用直径113 mm钻头开孔,钻进12 m左右,退出钻杆;②下入直径108 mm套管,管底下至距孔底约0.2 m,外露0.2 m便于安装闸阀;③用水泥砂浆或树脂药卷封闭密实孔口和套管口间的环状空隙;④砂浆凝固后,向间隙内注入水泥浆填实。

连接高压闸阀及其它装置:连接高压闸阀、过渡节、安装阀门、测压表、防喷装置。

4.3 老空积水治理实测

南河煤业于2017年2月13日至8月14日,共施工8个钻场33个钻孔,分别位于15107回风顺槽和15107切眼,其中见3#煤层的钻孔25个,遇到采空区的钻孔3个,未见3#煤层的钻孔5个。

经过统计疏放水期间矿井涌水量增加,平均为每月增加6m3/h。截止12月份涌水量减小至2m3/h。经过分析,增加涌水量大部分为3#煤层采空区水,少量层间灰岩水,初步计算上覆采空区积水30000m3,有效的解除了下组15#煤层巷道掘进过程中的透水威胁,对矿井的安全生产意义重大。

5 结束语

(1)老空区积水由地表水、雨水或上部含水层通过导水裂隙带流入并以静水的形式存在;老空区本身与充水水源具有水力联系,存在形式为动态积水。

(2)提出了南河煤业3#煤层采空区积水的治理原则和4种老空积水治理方案,选择下组煤层施工钻孔疏放上组煤层积水方法。

(3)现场实施中,在下组15#煤层顶板布置疏水钻孔,通过矿井涌水量估算有效疏排采空区积水30 000 m3,较好的缓解了老空积水对生产威胁。