采空区探放水应用技术研究

孙 来

(晋能控股煤业集团 铁峰煤业有限公司南阳坡矿，山西 朔州 036000)

矿井水害问题是我国煤矿开采中所面临的主要灾害之一[1-2]。突水灾害发生的原因，一是当底板岩层的强度无法承受地下水的高压作用时，地下水就会冲破底板岩层，涌入到采矿作业面；二是井下采空区大量积水，存在的导水裂隙带与采空区贯通，导致空区水融入作业面，造成严重人员伤亡与经济损失[3-4]。特别是采空区积水问题，存在短时突然爆发的可能，为此，在工作面回采过程中，需要对其涉及的采空区积水进行适时的探放，以消除采空区水害问题[5-6]。探放水方法是防治煤矿突水灾害发生的主要防治手段，在煤矿开采中尤为重要[7-8]。文章以某煤矿上覆煤层存在的采空区积水为研究背景，对空区水探放方法进行了系统的研究，以实现矿山安全高效开采。

1 工程概况

某煤矿于1990年10月建井，2001年10月竣工投产，生产能力150万t/a。根据矿方提供的资料，主采区地面标高+1 318～+1 420 m，井下标高+873～+940 m，位于该采区的15203与15201工作面主采15号煤层，煤层厚度3.63～7.35 m，平均5.32 m，采用综采放顶煤开采工艺，矿井常规涌水量为78.5 m3/h，最大涌水量为174.6 m3/h。因多年的开拓、采掘，位于其上部的8号煤层目前已在井田的东部和中部形成较大面积的采空区。地下突水危险源主要来自于两方面：①15201回风巷地表发育一条季节性河流，主要接受大气降水补给，大气降水下渗补给各含水层，主要以动储量形式存在；②15201回风巷本煤层临近15203回采工作面，该巷道上覆为8号煤层8201采空区，根据矿井水文地质补充勘探报告与地表瞬变电磁探测结果，砂岩层存在较强的富水区，面积约为358.92 m2，对于井下采煤有显著的影响。通过对8号煤层采空区物探结果，8201采空区存在大量积水，对15号煤层工作面采掘具有一定威胁。为保障15号煤的安全开采，根据防治水工作原则，需要提前对8201采空区存在的大量积水进行探放，以消除突水危害。

2 垮落区及导水裂隙区高度确定

15号煤层15203工作面上部存在砂岩裂隙含水层，开采过程中实施全部垮落法进行顶板处理，回采过程中产生的垮落区以及导水区易与其上部的含水层和8号煤层采空区联通，导致突水灾害的发生，为此需要对以上两个区域的高度进行确定，为8201采空区积水探放提供支撑。

综采垮落区与导水裂隙区计算方法如下[9]：

垮落区高度：

(1)

导水裂隙区高度：

(2)

式中：m为煤层平均厚度，m。

15203回采作业面煤层厚度3.63～7.35 m，平均厚5.32 m，带入公式(1)与公式(2)，通过计算得到垮落区高度为17.09～26.51 m，导水裂隙区高度为52.91～75.89 m，由于8号煤层采空区距离15号煤层15203作业面高度为63.5 m，可以看出，15号煤层开采后形成的垮落区与导水裂隙区高度已达到上覆采空区位置，有可能发生采空区突水灾害风险，必须对采空区积水进行探放处理。

3 8201采空区积水探放方法

根据8号煤层采空区所在位置，南翼探巷进行探放水工程施工作业，该次共掘进2个探放钻场，在巷道帮侧共布置2个放水硐室(宽5 m、高5 m)，每个钻场布置3个钻孔，钻孔平均距离为1.5 m，所布设的探放水钻孔，一方面用作堵水，另一方面用作放水，钻孔采用孔径50 mm与150 mm的两种钻头进行施工，前者用于钻孔，后者用于扩孔，随后铺设15 m长、直径100 mm的钢管，钻孔端部安装有闸阀及测压表，用来监测出水量及水压，钻孔参数见表1，每个钻场内钻孔位置及其布置方式见图1。

表1 钻孔参数

图1 钻场探放水孔布置形式

为实现监测钻孔的止水作用，需要装设止水套管，结构见图2。

图2 止水套管结构

套管与孔壁间使用封堵袋堵塞，即采用矿用注浆泵往封堵袋内加灌水泥料浆来堵塞与加固套管。为避免出水压力过大造成套管脱落，还应该在套管所在位置的壁面中打锚杆来进行加固，随后来完成清扫钻孔作业，最后进行钻孔耐压试验。当水压值为出水压力的1.4倍左右稳定30 min。管口周边未出现漏水，说明满足探放水要求；反之需要继续灌浆加固，直至不漏水为止。

通过现场对不同钻孔进行采空区涌水量监测，结果见表2。发现不同的监测钻孔均存在不同的涌水情况，总涌水量为42.9 m3/h，监测结果进一步表明8201采空区含有大量积水，需要及时疏放。

表2 钻孔涌水量

4 现场探放水效果

通过现场对8201采空区内部积水进行持续探放，待所有钻孔完成探放并封堵后，通过统计共放出水量约为18 654.7 m3。各钻孔探放水累加量随探放时间的变化情况见图3。

图3 疏放水量随时间变化情况

随着探放时间的增加，放出水总量呈“S”型变化趋势，主要分为三个阶段，即初期缓慢增加阶段、中期快速增加阶段与后期平稳阶段。由于在探放水初期，部分导水钻孔中含有杂质而没有完全贯穿，这一时期探放水量增加缓慢；随着中期钻孔在水压作用下完全打通，涌水量迅速增加，这一时期在整个探放水过程中发挥主导作用；随着采空区内积水的不断减少，到后期总水量基本保持恒定，说明采空区内积水已基本疏放完成，不构成采空区涌水风险。

1号、3号及5号钻孔水压随探放水时间的变化情况见图4。整个探放周期内可以看出，随着探放水时间的增加，水压呈现波动变化特征。探放初期(0～6 d)，水压降低速率较小，其中，在第3天出现了水压反弹增加的情况，说明此阶段钻孔并未被水流完全贯通，初期最大水压达1.85 MPa；探放中期(7～12 d)，水压变化呈现为降低—增加—降低变化特征，其中，在第11天出现了明显的水压反弹增加，这一阶段表明在探放水11 d后钻孔完全贯通，孔内杂质已被排除，随着空区内水量的减少，水压开始降低，中期水压最高达到1.27 MPa；在探放后期(13 d以后)，水压迅速降低，平稳后水压约为0 MPa。值得注意的是，1号与3号钻孔探放水时间为21 d，5号钻孔为24 d。造成不同钻孔探放水时间不同的原因可能与5号钻孔所在的位置偏低有关。整个探放周期结束后，各钻孔水压均降为0 MPa，说明8201采空区积水已探放完成，有效保障了15号煤层15203作业面的安全回采。

图4 钻孔水压随时间变化情况

5 结 语

1) 通过对某煤矿15203回采作业面垮落区及导水裂隙区高度确定，得到垮落区高度为17.09～26.51 m，导水裂隙区高度为52.91～75.89 m，总发育高度达到了上覆8号煤层8201采空区高度值，有可能发生采空区突水灾害风险，必须对采空区积水进行探放处理。

2) 通过对8201采空区内进行钻孔探放水研究，随着探放时间的增加，放出水总量呈“S”型变化趋势，主要分为初期缓慢增加、中期快速增加与后期平稳三个阶段，探放水总量达18 654.7 m3；通过现场水压监测，整个探放水过程中，水压由初期的1.85 MPa降为最终的0 MPa。表明文章提出的探放水方法有效可行，保障了其下部15号煤层15203作业面的安全高效开采。