下煤层探放水巷道布置及探放水技术研究

（山西潞阳煤炭投资经营管理有限公司，山西 寿阳 045400）

长榆河煤业位于山西省晋中市寿阳县北27 km处。井田面积6.56 km2，产能0.9 Mt/a，批准开采6、8、9、12、15上、15下号煤。矿井采用下行式开采方法，井田东部15上号煤层已回采结束，15上号煤层平均煤厚2.71m，15下号煤层平均煤厚2.65m，两个煤层的层间距0.50～10.60m，平均4.34m，属近距离煤层。由于15上号煤层长时间开采所形成的采空区有大量积水，对下方近距离的15下号煤层回采存在重大水害隐患；此外15上号煤层开采时所留设的煤柱对下方近距离的15下号煤层回采工作面顶板具有应力集中作用[1-2]。综上所述，15下号煤层探放水巷道的合理布置是制约矿井安全高效生产的因素。

1 井田东部积水情况

在长榆河煤业井田东部存在3个大采空区积水区域，分别命名为东北部积水区、中部积水区和南部积水区。积水区统计情况见表1。

表1 井田东部积水区统计情况

结合井田东部的15上号煤层和15下号煤层底板等高线，在东北部积水区15下号煤层底板水平标高最低，为+970水平，积水量最多。因此，该区域对15下号煤层开采是最大的水害隐患。综上因素分析，先行在东北部积水区施工探放水巷道对于保证矿井正常安全生产具有重要意义。

图1 井田东部积水区范围

2 探放水巷道布置总体分析

图2 井田东部15上、15下号煤层剖面

2.1 探放水巷道布置方式

基于以往对巷道错距布置相关研究成果，对于探放水巷道的布置通常有内错、外错、重叠三种布置方式[3-4]。

（1）内错布置方式。就是将探放水巷道布置于15上号煤层15101工作面采空区下方应力下降区域之中。当采用内错布置方式时，探放水巷道所承受上方采空区采动影响后的作用较小，然而同架空人车大巷之间所要留设煤柱宽度约50～60m，将会造成煤炭资源损失，且布置于15101工作面采空区积水区下方也会受到积水影响。

（2）外错布置方式。就是将探放水巷道布置于15上号煤层15101工作面采空区正下方之外的区域。此时同架空人车大巷之间所要留设煤柱宽度较小，有利于煤炭资源的回收，且所受15101工作面采空区积水区影响较小，有利于探放水期间的安全作业，但是围岩支护控制较为困难。

（3）重叠布置方式。就是将探放水巷道布置于15上号煤层15101工作面进风顺槽下方，此时围岩控制支护水平兼具内错和外错两个布置方式的优、缺点，并同样受到15101工作面采空区积水区的影响。

综合上述分析，该探放水巷道还可以利用为15下101工作面的顺槽，采用外错布置方式，不仅有利于探放水期间的安全作业，也有利于15下号煤层回采时的煤炭资源回收。基于长榆河煤业井田东部现场开采情况，剖面见图2，在水平方向上，布置于15下号煤层的架空人车大巷，同其上方15上号煤层的15101工作面采空区进风顺槽之间的水平距离为42 m。

2.2 探放水巷道外错距计算

基于前人理论研究成果可知，作用于煤柱底板上同一水平截面不同深度上，煤柱应力分布不均衡与煤柱之间距离有密切关系。应力分布不均衡程度随着与煤柱距离的增大而减小，越远离煤柱、距离越大，其整体稳定性状态也就越好。因此，需要将探放水巷道布置在应力分布较小的位置，以利于巷道围岩控制和支护。通常可以采用改变率K来表示应力分布不均衡的程度[5]。

式中：σ（x）为应力作用于煤柱底板同一水平截面上的分布函数；x为水平方向上选取点与煤柱采空区一侧之间的距离。

上述公式经分析，可以得出，改变率K越小，作用于煤柱底板上同一水平截面上该点的不均衡程度越低。依据求改变率K的极值Kmin能够求解出各个应力改变率极值所在位置，以此得出受煤柱集中应力影响情况下的不均衡分布范围Ssx[6]。

式中：Ssx为受煤柱集中应力影响情况下的不均衡分布范围，m；L为留设煤柱宽度大小，m。

基于上述分析结果，煤柱留设宽度同探放水巷外错距离之间关系见表1。

表1 煤柱留设宽度同探放水巷外错距离之间关系统计

并且探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平距离Skx可以通过以下公式计算[7]。

式中：Skx为探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平距离，m；hr为15上号煤层与15下号煤层之间的层间距，m；m为下方15下号煤层的煤厚，m；β为下方15下号煤层的倾角，°；δ为煤柱集中应力影响传递角，°。

15上号煤层与15下号煤层之间的层间距平均4.34m，15下号煤层平均煤厚2.65m，平均倾角5°。根据以往研究成果，煤柱集中应力影响传递角取值在18.13°～48.49°。将以上参数代入式（3），得出探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平距离在2.23～7.21m，即可位于煤柱应力减小区域。

综合考虑探放水巷道需要对15101工作面采空区积水进行探放水，后期还要利用其作为15下101工作面的顺槽使用。为减小动压影响，保证巷道支护效果，上述计算结果取安全系1.3，即探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平距离在2.89～9.37 m。

合理外错距离取上述计算结果最大值9.37m，本次设计探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平外错距离最终取10 m。

2.3 探放水巷道与架空人车大巷煤柱防水效果

根据上述计算结果，探放水巷道同15101工作面采空区侧边缘水平外错距离设计为10m，探放水巷道宽度为4m，探放水巷道与架空人车大巷之间的煤柱宽度则为28 m。因如前所述探放水巷道上方15101工作面采空区积水范围及积水量较大，加之目前已经探明15下号煤层含水量也很大，因此必须对探放水巷道与架空人车大巷之间的煤柱防水效果进行分析验证，以保证煤柱可以起到有效阻隔积水，保障井下安全生产的作用。

（1）煤柱隔水效果分析

本次研究不将煤体各个方向上的差异，且实际上煤体的不均匀、不连续等性质纳入研究范畴，因此该隔水煤柱在上覆围岩载荷影响下，煤柱内自探放水巷道到架空人车大巷可以分成塑性屈服区和弹性核区两个区域。其中，塑性屈服区是煤柱内部靠回采工作面一侧的区域，在工作面回采期间将不能承载上覆围岩传递的载荷而产生内生裂隙甚或被破坏，此时由于水的渗透作用，煤柱内发生塑性变形的区域将无法起到有效的隔水作用。而煤柱中能够基本保持原岩应力情况的弹性核区，能够有效地起到隔水效果。

（2）煤柱合理隔水宽度

基于前人研究结果，探放水巷道与架空人车大巷煤柱的塑性屈服区应当比工作面回采时受动压作用影响的范围小，因此煤柱合理隔水宽度可通过下述公式计算[8]。

式中：a为煤柱受工作面回采扰动影响因子，综采取值1.5；b为煤柱在掘巷期间的影响因子，取值1.32；L1为煤柱靠近采空区的塑性屈服区范围，m；L2为煤柱极限弹性核区范围，m。

①煤柱靠近采空区的塑性屈服区范围

煤柱靠近采空区的塑性屈服区范围可通过下述公式计算[9]。

式中：m为下方15下号煤层的煤厚，m；K为采空区一侧煤柱的应力集中程度，取值2.5；γ为15下号煤层上覆围岩平均容重，kN/m3；H为15下号煤层埋深，m；Cm表示15下号煤层内聚力，MPa；φ表示15下号煤层内摩擦角，°；f为15下号煤层同顶底板围岩互层接触系数，取值0.15；pi为巷道支护对煤柱帮应力，单位为MPa，取值0；ξ为三轴应力计算公式，取值

15下号煤层平均埋深240m，上覆围岩平均容重25 kN/m3，平均煤厚2.65m，内聚力1.8MPa，内摩擦角33°。将以上实际参数代入式（5），得出在矿压作用下煤柱靠近采空区的塑性屈服区范围为1.66 m。

②煤柱极限弹性核区范围

根据《煤矿防治水细则》关于隔水煤柱安全系数的相关规定，煤柱极限弹性核区范围可通过下述公式计算[10]。

式中：m为下方15下号煤层的煤厚，m；K为《煤矿防治水细则》中关于安全系数的相关规定，取值3；P为水头压力，井田东部下方15下号煤层最低和最高标高分别为+970和+1100，该值应为1.3MPa；Kp为15下号煤层的抗拉强度，根据实际情况取值0.96MPa。

将相关参数代入式（6）中，则煤柱极限弹性核区范围为8.01 m。

③煤柱合理隔水宽度

综合上述计算结果，将L1和L2的计算结果代入式（4）中，可以得出煤柱合理隔水宽度L≥14.58 m。根据前述合理外错距离计算结果，探放水巷道与架空人车大巷之间的煤柱宽度则为28m，能够有效保证煤柱隔水效果和巷道围岩支护效果。

最终设计探放水巷道布置情况见图3。

图3 探放水巷道布置剖面

3 探放水技术措施

在探放水巷道布置多台泵分级排水作业。为防钻孔塌孔对抽排水作业造成影响，设计采用下三节总长7m的套管，三个节之间均采用铁丝连接，采用水泥砂浆将钻孔孔口封闭，外接100 mm阀门。在探放水期间主要采用以下几个方面的防治水措施：

（1）坚持水文地质专项预报。

（2）加强探放水期间的水情观察。

（3）加强对补给动水的抽排工作。

（4）在适宜地点安装强备用排水大泵。

4 结语

本次研究的探放水巷道合理布置能够满足架空人车大巷煤柱隔水效果不受15下号煤层开采影响，并且探放水巷道与上方15上号煤层采空区积水区域具有合理外错距离，以便于探放水作业。然而由于长榆河煤业是资源整合煤矿，所整合煤矿技术管理相对薄弱，地质、图纸等技术管理有所欠缺，给矿井防治水工作造成一定程度的困难，在现场探放水工作中，应结合实际，以提高矿井防治水工作水平。