王庄煤业3401采空区积水探放技术应用

王海峰

(山西长治王庄煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

水灾作为煤矿五大自然灾害之一，长期威胁着矿井的安全生产。我国煤炭开采历史悠久，由于煤矿小窑的无序开采，形成了大量采空区，而这些采空区大多数没有留下任何资料，开采情况不明。这些采空区中往往会存在大量以静态为主的积水，受到煤层采动影响，可以在短时间内涌出，携带大量煤岩块及有害气体，给工作面安全开采带来极大威胁。因此在工作面回采前必须对采空区进行探放水，最大限度地降低采空区积水对工作面造成潜在影响。

1 工程概况

王庄煤业位于长治市南部，距长治市直线距离约26 km，兼并重组整合矿井，核定生产能力为240万t/a。矿井目前开采3号煤层，基建15号煤层，3号煤层层位、厚度稳定。煤层平均厚度4.85 m，煤层倾角1～11°，共分为8个采区，井田范围内存在多个小窑采空区，采空区范围不详。矿井正常涌水量为89.6 m3/h，最大涌水量为167.50 m3/h。

根据矿井地质报告及地面瞬变电磁法探测成果，K8砂岩较强的富水区4处，面积344 205 m2，对开采影响较大。3号煤层的主要隔水层是位于3号煤层之上的二叠系砂岩含水层层间隔水层，主要由泥岩、砂质泥岩等组成，呈层状分布于各砂岩含水层之间，能阻隔或减弱含水层之间的水力联系。根据前期3号煤层各采区物探成果及探放水情况，3号煤层采空区主要位于本区内北部、北中部、东部，采空区内不同程度地存在积水，其中3401采空区都有一定积水量存在，会对矿井安全生产造成一定威胁，因此决定提前对3401采空区进行探放水作业。

2 3401采空区超前钻探

根据现场实际情况，需要重新掘进一条南翼探巷对采空区进行探放水，探巷先沿煤层顶板掘进，后起底成巷掘进，设计钻孔布置采用钻探40 m，允许掘进10 m，始终保持30 m超前钻距的作业方式进行。

超前钻孔采用扇形布置，共布置9个钻孔，其中距巷道底板0.9 m布置1号、2号、3号、4号、5号5个孔，倾角-4°，钻探煤层底板区域，向前呈放射状；距巷道底板1.0 m布置6号、7号、8号3个孔，倾角与巷道掘进方向底板坡度平行布置；距巷道底板1.1 m布置9号，倾角+3°，钻探煤层顶板区域。打孔顺序：先钻探7号孔，依次为1号、2号、3号、4号、5号、6号、8号、9号孔。钻孔布置如图1所示。钻孔参数如表1所示。

图1 超前钻孔布置(m)

表1 钻孔参数

根据钻探结果，钻孔涌水量如表2所示。由表可以看出，钻孔1～4号、7～9号均出现了不同程度的涌水现象，总涌水量达到了61.1 m3/h，进一步表明3401采空区存在富水区，需要进行疏放水作业。

表2 探放水孔涌水量 m3/h

3 3401采空区疏放水设计

3.1 钻场位置选择

根据现场煤层实际情况，南翼探巷设计时，巷道与积水区留有20.0 m厚的保护煤柱，为了进一步确保巷道施工安全，对3401采空区疏放水时设置1个钻场，巷道掘进到低洼地点时，布置1号钻场，在巷道左帮设置1个放水硐室(深3 m、宽4 m、高5 m)，提前疏放3401工作面的采空区积水，降低该采空区积水对掘进的风险。

3.2 疏放孔设计

在1号钻场内，距巷道底板1.0 m处垂直于巷道左帮布置3个放水孔，钻孔间距1.0 m，对3401工作面采空区积水进行疏放。预计巷道底板标高为970 m，煤层底板标高预计为968 m，积水标高为978 m，钻机架设高度为1.0 m，预计本次疏放3401采空区积水水头高度为9 m。具体位置和钻孔布置方式见图2。

图2 1号钻场疏放水孔设计示意(m)

3.3 钻探要求

探水孔可兼做堵水或疏水孔用，终孔孔径不大于94 mm，施工时先用直径50 mm钻头打孔，然后用直径150 mm的钻头扩孔，再下设套管为D100 mm的无缝钢管10 m，再用钻头直径50 mm正常探水，待出水后用直径75 mm的钻头扩孔放水，钻孔出水后要安设闸阀和测压表，控制水量和观测水压数值。止水套管安装示意如图3所示。

图3 止水套管安装位置示意

止水套管外露部分，水管上预留1个甩头安装压力表；端头焊接法兰盘，以便安装流量计和阀门。止水套管和孔壁之间用专用的封堵囊袋进行封堵。用zbq—27/1.5煤矿用气动注浆泵向专用封堵袋内注水泥浆实现封堵、固结套管的目的。为防止水压将套管冲出，在套管两侧的煤壁上打锚杆加以辅助固定。固定后进行扫孔，待深度超过孔口管长度后，向孔内压水，并进行耐压试验，如水压值达到预计放水水压的1.5倍，并稳定30 min，孔口管周围没有漏水现象，说明符合要求，否则仍需注浆加固。

放出的水流入临时水仓内再逐级排放至中央水仓。钻场放置一定数量砖、水泥、沙等物，以备放水时构建挡水墙。放水时要严格控制放水量，其最大放水量不得超过70 m3/h。当放水钻孔无水外流且压力显示为0 MPa后，方可确定放水结束。

4 探放水效果评价

通过对3401采空区积水疏放，截止3号疏放水孔封孔，该钻场累计疏放水量21 333.6 m3。放水量随时间变化规律如图4所示。随着时间的推移，采空区积水疏放量先逐渐增加后趋于稳定。由图可知，疏放水早期由于钻孔未完全穿透、孔径不够等，疏放水量增速较为缓慢，之后对各探孔进行穿透及扩孔后疏放水量增长较快，后期随着疏放水时间的持续，疏放量趋于平缓，说明3401采空区积水已经疏放完毕。

图4 疏放水量随时间变化曲线

3个探放水孔中，2号钻孔疏放水时间最长。图5为2号钻孔水压随时间是变化规律。由图5可知，随着疏放水时间的持续，钻孔水压持续降低，由起初的1.58 MPa逐渐减小，下降到0 MPa左右，进一步证明3401采空区积水已经疏放完毕，解决了矿井水害威胁。

图5 钻孔水压随时间变化曲线

5 结 语

通过对3401采空区水患分析，通过超前钻探准确掌握了采空区分布范围。钻探结果显示，3401采空区存在富水区，必须进行疏放水。通过实施疏放水工程，累计疏水总量达到21 333.6 m3后趋于稳定，疏放水孔水压也由1.58 MPa降低到了0 MPa左右，证明采空区积水已经疏放完毕，为矿井消除了水患影响，保证了矿井安全生产。