燕子山矿对有补给水源的采空区积水治理技术研究

李满如

（大同煤矿集团有限责任公司燕子山矿，山西大同037037）

1 水文地质概况

1.1 区域水文地质

大同煤田位于大同盆地以西，介于口泉山脉与牛心山脉之间，四周为强烈上升的中高山地形，煤田内部地势变缓，为低山丘陵地貌。大同煤田为北东—南西向向斜构造，东南翼窄，地层倾角陡，构造较复杂，西北翼宽广，构造简单。区域内出露地层有太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系及第三系、第四系。区域内河流由北至南以次为十里河、口泉河、鹅毛口河、小峪河、大峪河，均属桑干河水系。

1.2 矿井水文地质

燕子山井田位于大同煤田的西北部，为低山丘陵地貌，地面高程在1 250 m～1 300 m 之间，井田地势总体呈南高北低之趋势、黄土梁及“V”字型沟谷发育。

井田北界发育有桑干河支流御河的一级支流十里河。主要沟谷由东向西有马脊梁沟、燕子山沟、苦水湾沟、七磨河，并呈羽状排列，均由南而北汇入十里河，次一级支谷呈树枝状遍布于全区。

井田主要含水岩组由下至上有：寒武-奥陶系灰岩含水层、大同组层间裂隙含水层、云岗组砂岩裂隙含水层、第四系冲积-洪积层孔隙含水层。富水性较好的含水层有第四系冲积-洪积层含水层、云岗组及大同组裂隙含水层，由于侏罗系煤层的全面开采，其顶板的大同组、云岗组基岩含水层已遭到破坏，上部含水层中的水已经疏干，矿井充水水源主要来源于大气降水。

1.3 工作面水文地质

C5#煤层8401 工作面位于燕子山井田西北部304盘区，地面位于位于燕子山纸坊头进回风井以北、七磨河以东沟谷地带，盖山厚度357 m～321 m/339 m。工作面煤层厚度2.75 m～6.35 m，平均4.5 m，倾向长150 m，设计可采走向长度630 m，可采储量36.91万t。对应上覆为本矿侏罗系8#层8303、8301 采空区，12#层8303、8301采空区及14-3#层8301～8309采空区。其中8#层与C5#层层间距约为270 m，12#层与C5#层层间距约为190 m、14-3#层与C5#层层间距约为170 m。8#层、12#层与14-3#层工作面由于为上下重叠关系，层间距较小，因而推测积水范围集中在14-3#层采空区（见图1）。

图1 C5#层8401面与上覆14-3#层303盘区层间对照

2 工作面前期开展的探放水工作情况

工作面圈定之后，即由山西煤炭地质水文勘察研究院施工地面综合物探，根据物探结果并结合实际掌握的地质资料，施工了5个钻孔进行验证，具体情况见表1。

表1 C5#层8401面探放水钻孔成果

通过钻孔施工，侏罗系采空区积水基本排查完毕，但上覆14-3#层8307 面采空区积水起初预计8 万m3，实际放水10 万m3，实际放水量大于预计水量，且经过观测，后期钻孔出水量均衡在20 m3/h，判断有补给水源。经过收集地质资料分析，判定8307面采空区积水来源为工作面西北部张家场小孩沟煤矿14-2#层采空区积水直接补给。该矿于2009年关闭，批准开采11#、12#煤层，实际开采11#、12#、14-2#煤层，燕子山矿14-3#层8307 面上覆14-2#煤层就有张家场小孩沟煤矿的破坏区（14-2#与14-3#煤层层间距9 m～11 m）。14-3#层8307面回采后，顶板大面积塌落，上覆张家场11#、12#层采空区积水经过导水裂隙带渗入14-2#层直至14-3#层。由于11#、12#煤层盖山厚度仅为110 m～130 m，且对应地面沟谷较多，分析张家场小孩儿沟煤矿采空区积水应为地面大气降水补给，见下图：

图2 C5#层8401面与小孩沟矿14-2#层破坏区位置关系

C5#层8401 工作面为下山开采，如何尽快解决补给水患，防止上覆采空区积水大量下泄造成危害，保证工作面安全回采是本次技术研究的主要方向。

3 对有补给水源的采空区积水治理技术研究

在防治水技术手段上，针对这种有补给水源的采空区，从空间与时间上综合统筹考虑防治水方案，采取探、疏、排、截、监五种方法进行防控[1]，具体技术措施及步骤如下。

3.1 截留采空区积水

加快8401面相邻5403巷掘进进度，进入上覆14-3#层8307 采空区积水范围下方时，利用8307 采空区高程，选取合适地点施工地面钻孔到5403巷，将8307采空区大部分补给水量截留到5403巷，减少8307采空区积水对8401回采工作面的影响。地面钻孔竣工后，直接连接排水管路利用压差自动排水至304 盘区水仓。通过该项技术措施，有效的对采空区出水进行分流，8401工作面放水钻孔出水量减少至10 m3/h，分流2403巷的采空区水量为10 m3/h。

3.2 转移古塘出水压力

充分利用5403 巷与2401 巷道高程差，对8401 工作面古塘的积水进行分流。在5403 巷选取较低标高处施工钻孔至8401工作面古塘，对8401工作面古塘的积水进行引流至5403 巷水泵窝辅助排水，辅助排水15 m3/h，减轻8401工作面在回采过程中受古塘积水的影响。

3.3 施工水文钻孔监测水位

在14-3#层8307 采空区最低处对应地面施工一个水文观测孔[2]，每日观测水位，分析8401工作面回采期间上覆8307采空区积水下泄程度。

图3 14-3#层8307采空区补给水综合治理立体示意

如上图，通过以上技术手段，将8401 工作面上覆采空区化整为零，降低了透水危险。

3.4 图表分析采空区积水动态变化情况

编制钻孔排水量变化图（图4），充分了解每日排水量变化情况，分析采空区积水补给程度，重点监测5403 放水孔巷水压、水量，8401 面古塘出水量变化情况。如发现5403巷放水孔水量逐渐变小，8401古塘出水量逐渐增大，立即停产。

图4 C5#层8401面排水时间与水量变化示意

4 安全保障措施

4.1 作业区域薄弱地点建立应急排水系统

在8401工作面两个顺槽巷4个低洼处建立了应急排水系统，每处都配备两台55 kW 潜水电泵，两路φ 108 mm排水管路。

4.2 实时监控危险源，第一时间响应

要求304 盘区水仓值守人员手拉手交接班，一旦发现出水口水量增大，第一时间报告调度室，通知306、304盘区作业人员撤退。

5 治理效果及社会效益

目前燕子山矿C5#层8401 等3 个工作面已经全部回采结束，回收原煤87万t，开采期间工作面涌水量实现了安全可控，没有出现突水事故。

在上覆采空区有补给水源，存在潜在风险的情况下进行采煤作业，在防治水管理理念上是比较大胆的探索。通过该案例，总结出了一套有补给水源采空区的“探、疏、排、截、监”综合治理技术。

（1）通过地面钻孔、井下钻孔分步、分段截流采空区积水，分摊排水量，将水患“化整为零”的“探、截”技术。

（2）利用井下地形优势，施工同层疏水孔，将古塘出水引至临巷排放，减轻积水对生产的影响的“疏放”技术。

（3）地面水文孔观测水位，图表预测采空区积水变化的“监测”技术。

（4）排查采掘区域内防治水薄弱环节，建立防排设施的“防排”技术。