煤矿开采防治水方案的设计

王跃东

(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700)

引 言

煤炭作为我国的支柱能源，对我国经济的发展具有绝对的推动作用。据研究表明，煤炭依然在未来很长一段时间占据我国能源结构的主导地位。一直以来，煤炭安全生产问题备受关注，制约煤炭安全生产的因素主要包括：综采设备的安全性、工作面瓦斯浓度、工作面支护以及煤层防治水等。鉴于我国煤层地质、水文条件的复杂性，使煤炭在开采过程中受到了多种水体的威胁[1]。经统计可知，工作面由于突水事故所造成人员及经济损失位于各类因素所造成的直接经济损失。因此，需根据煤层地质、水文等情况为其设计有效的防治水方案，为综采工作面的安全生产奠定基础。

1 工程概述

本文以某C矿为研究对象，XX矿西部下组煤回风巷所掘3#煤层节理发育，结构复杂。其中，3#煤上分层厚度4.49 m～7.17 m，平均5.65 m；煤层上部夹石为0.10 m～4.3 m，平均2.5 m左右页岩。3#煤层巷道的宽度为4 m。下分层煤层厚度2.40 m～3.50 m，平均2.95 m，下部夹0.2 m左右的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属单一稳定的中厚煤层。

根据西部下组煤胶轮车巷瓦斯涌出量资料预测该工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为2 m3/min。工作面所属采区及开采煤层无瓦斯动力现象，无煤与瓦斯突出现象。工作面所采煤层经鉴定属于有煤尘爆炸性，爆炸性指数为15.38%，自燃倾向性为Ⅱ级，属自燃煤层。地温为8 ℃～9 ℃。工作面局部压力较大。

该工作面煤层顶板和底板情况如表1所示。

表1 工作面煤层顶板、底板情况

通过对该巷道的矿压进行监测得出：该巷道垂直方向的应力平均值为6.71 MPa，水平方向的应力平均值为7.47 MPa。

2 煤层开采防治水技术

该工作面的开采深度较大，且工作面煤层底板所承受的奥灰水压较高，在实际开采过程中较大的突水风险。当前应用于工作面防治水的技术主要包括综合物探技术、奥灰疏水降压技术、充填开采技术以及底板注浆加固技术[2]。

2.1 综合物探技术

综合物探技术包括有瞬变电磁方法、音频电穿透视法、直流电法以及电磁波坑透法[3]。其中，瞬变电磁探测原理图如第81页图1所示。

基于瞬变电磁探测技术能够实现对巷道及工作面的超前探测，大大提升对工作面的探测范围及探测效率，所以，其为当前应用于工作面防治水探测的主流技术。音频电穿透视法主要应用于对底板、顶板富水范围的及注浆防治水效果的探测。井下直流电法主要应用关于对工作面电性分层和水文地质的研究。

图1 瞬变电磁探测原理

2.2 奥灰疏水降压技术

基于奥灰疏水降压技术在工作面及其周边开一定水量的放水孔，通过放水操作将工作面的奥灰水位降至安全水位以下。但是，奥灰水直接排除会污染地表水，因此采用此技术时常需要对所排出的水进行处理。因此，奥灰疏水降压技术一般不被采用。

2.3 煤层底板注浆加固技术

煤层底板注浆加固技术是在开采之前向底板注浆，使得底板岩层中的缝隙被填充，从而提升煤层底板的隔水效果。目前，底板注浆加固技术已经在很多煤矿中应用，并取得了良好的防治水效果和经济效益[4]。此外，应确保底板注浆技术的切实可行，需根据煤矿地质水文条件确定加固深度和层位。

3 防治水方案设计

3.1 巷道掘进防治水方案设计

为了避免煤矿巷道掘进期间工作面的导水构造和其他水体造成突水事故，在巷道掘进前需对倒水构造进行探查，且探查的结构为防止水工作的重点[4]。该阶段的防治水工作的流程如图2所示。

图2 掘进阶段防治水方案

如图2所示，掘进期间防治水方案遵循先物探、后钻探验证的原则，并对发现异常的部位采用超前预注浆处理的措施进行防治水操作。其中，钻探验证为掘进期间的关键动作，该阶段的钻孔数量一般不少于两个，且每个钻孔的倾角应维持在-10°～-20°之间，每个钻孔的探测距离不少于30 m。

此阶段防治水方案主要是对孔口止水套管以及超前距等参数的确定。针对孔口之水套管长度，根据《煤矿防治水规定》要求止水套管长度不得少于20 m；针对超前距的计算依据式(1)确定：

(1)

式中：H为超前距；k为安全系数，取k=5；L为煤层巷道的宽度，取L=4 m；P为工作面煤层所承受的水压，取P=7.5 MPa；Kp为煤的抗拉强度，取=0.46 MPa。

经计算得：H=26.45 m，圆整为27 m。

3.2 工作面开采防治水方案设计

工作面开采防治水方案包含有开采前和开采中防治水方案的设计。

3.2.1 工作面开采前防治水方案

待工作面掘进完成后，需依据图3防治水工作流程对开采前工作面进行防治水操作。

图3 工作面开采前防治水方案

如图3所示，工作面开采前采用坑透、直流电法和瞬变电磁等综合物探手段对其隐伏构造、富水异常区域进行探查，采用钻探手段对探查结果进行判断，若存在异常则采用注浆加固的手段进行加固，并对加固效果进行检验[5]。

3.2.2 工作面开采中防治水方案

本节主要对煤层开采时钻探验证阶段的安全套管和钻机进行选型设计。所选安全套管的结构如图4所示。

图4 安全套管结构图

根据煤层特点所选用的钻机的参数如表1所示。

表1 钻机参数

4 结语

煤炭安全生产直接决定煤矿的产煤效率和作业人员的安全性。对于综采设备的安全性而言，可通过优化其结构及控制策略实现；对于工作面瓦斯浓度而言，可通过增设瓦斯监测设备及优化通风策略实现；对于突水事故而言，需根据煤层地质水文特点设计基于先物探后钻探验证并配合注浆加固的手段实现对煤层工作面的防治水工作。