特近层间距下分层掘进工作面水害防治技术研究

2022-03-28马军

陕西煤炭 2022年2期

马军

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西榆林 719315)

0 引言

大柳塔煤矿活鸡兔井12煤复合区煤层厚度9.63～10.35 m，平均煤厚10 m，采用分层开采，上分层4 m厚度已回采完毕，下分层剩余的6 m煤厚采用放顶煤开采，下分层巷道沿煤层底板掘进。由于上分层采空区低凹段存在大量积水，对下分层掘进工作面构成水害威胁，因此在掘进过程中必须采取有效技术手段对上覆采空区积水进行处理。大柳塔煤矿采取了超前研究上覆采空区积水范围和水量、施工钻孔泄放采空区积水和加强排水系统管理等方法[1-4]，取得了很好的管控效果，确保了掘进安全。文中以活鸡兔井12煤复合区首采面12下202工作面为例，对特近层间距下分层掘进工作面水害防治技术进行介绍。

1 巷道布置

12下202面为12煤复合区首采工作面，其上覆12上202综采面已于2005年回采完毕，12上202工作面切眼长度232 m，推进长度1 031 m。12下202综放面布置于12上202综采面采空区下方，巷道采用外错式布置，即下分层综放面的顺槽、切眼、回撤通道都布置在实体煤柱内，全部巷道沿煤层底板掘进，12下202工作面切眼长度249.8 m，推进长度1 124.5 m，巷道布置示意图如图1所示，上、下层巷道布置剖面示意图如图2所示。

图1 活鸡兔井12下202综放工作面巷道布置示意Fig.1 Layout of the roadway in 12-202 fully mechanized caving face of Huojitujing Mine

图2 下分层工作面外错式布置剖面示意Fig.2 External staggered layout section of lower layered working face

2 工作面掘进过程中的水害分析

根据该掘进区域水文地质条件，12下202综放面巷道掘进期间防治水灾的主要水源为上分层12上202和12上204综采采空区低凹区积水。工作面顺槽与上分层联巷层间距为1.47～3.14 m，掘进工作面顶板为煤层，由于层间距较薄预计工作面淋水较大，尤其是在过上分层联巷位置附近有低洼点时，掘进过程中一旦与上分层贯通，上分层低洼段积水将涌入工作面形成水害。

3 掘进工作面水灾预防技术

针对上覆采空区积水，主要采取细致研究积水范围和水量、合理泄放上覆积水、保证排水系统可靠和做好应急处置等主要预防技术[5-10]。

3.1 超前研究上覆采空区积水范围和水量

通过认真研究12上202顺槽剖面和底板等高线，得出12上202面采空区底板高程整体趋势为：12上202回顺高于202运顺，切眼高于回撤通道，确定上覆采空区主要积水区域位于12上202运顺侧，通过研究得出以下低凹区域，具体位置和水量预测见表1。

表1 12上202采空区主要低凹点水量预测(充水系数按0.3计算)Table 1 Prediction of water volume at main low concave points in 12-202 goaf(water filling coefficient is calculated by 0.3)

3.2 泄放上覆采空区积水

现场掘进期间需严格按照“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的探放水原则，在掘进方向和垂直掘进方向分别泄放上覆采空区积水，其中在掘进方向上主要是泄放上分层联巷的积水，而在垂直掘进方向上主要是泄放上分层顺槽和采空区的积水[11-12]。

在掘进方向超前泄放上分层联巷积水：12下202综放面的3条顺槽正常掘进期间，在掘进至距前方12上202工作面顺槽联巷15 m时必须掘进，施工泄放水钻孔。从掌子头向上分层顺槽联巷施工钻孔，对上分层联巷积水进行初步泄放，具体打眼方案剖面图如图3所示。

图3 距上分层联巷15 m位置施工超前探眼剖面Fig.3 Section of advance exploratory borehole 15 m away from the upper layered connecting roadway

初步泄放完成后，下分层顺槽掌子头继续掘进，在距上分层顺槽联巷平面距离为5 m时停止掘进，再向上分层联巷底板中心打泄水孔，对上分层联巷积水进行彻底泄放，等积水全部泄完后方可掘进，距上分层顺槽联巷5 m位置施工超前探眼剖面泄水钻孔示意图如图4所示。

图4 距上分层顺槽联巷5 m位置施工超前探眼剖面Fig.4 Section of advance exploratory borehole 5 m away from the upper layered connecting roadway

在垂直掘进方向上泄放上分层采空区积水：在掘进通过表1的8个积水严重区域时，为了保证掘进安全，重点在垂直于顺槽方位向两侧采空区施工泄水孔，每探放15 m，掘进15 m，钻孔施工数量按照现场水量大小具体确定，水量大时泄水孔数量也多，12下202回顺掘进时泄水孔方案示意图如图5所示，12下202运顺和12下204回顺掘进时泄水孔方案示意图如图6所示。根据现场实际情况，在掘进期间可随时增加泄水钻孔的方式，确保泄水效果良好，其它钻孔施工方式需要时再具体设计。

图5 12下202回顺垂直于顺槽方向向上分层两侧施工泄水孔剖面Fig.5 Section of drain holes constructed from 12-202 return roadway to upper layer

图6 12下202运顺、204回顺垂直于顺槽方向向两侧采空区施工泄水孔剖面Fig.6 Section of drain holes constructed from 12-202 transport roadway and 204 return roadway to sides of goafs

泄放水要求：在实施泄放水时，严格执行下列措施。①泄水钻孔孔口套管与孔壁之间孔隙必须封堵严实不漏水，阀门必须完好，封口套管必须打锚杆固定牢靠；②泄水孔严禁在顶板开孔，必须在巷道两帮开孔，以保证巷道顶板的完整性；③每个泄水孔施工完后，必须加装“S”型弯头，既保证随时泄水，同时又保证采空区不漏风；④每个泄水孔打完后，要均衡泄放，在排水系统不完好或有故障时，泄水孔阀门必须关闭，以防水淹巷道；⑤在施工泄水孔之前，对下分层新掘的巷道顶底板高程进行实测，并结合上分层巷道底板实测高程，对泄水孔参数进行核实和微调，提高泄水孔的精度。

3.3 排水系统保障

排水系统必须保证完好可靠，且能力足够，确保工作面涌水时能随时开启排水，具体要求如下。

排水设施要求：①水泵——除沿线排水泵外，交接班区域备用3台37 kW水泵(排水能力100 m3/h)，2台15 kW水泵(排水能力80 m3/h)，3台4 kW水泵(排水能力30 m3/h)配套相应开关，并保持热备用状态，合计排水能力550 m3/h，满足设防要求。另外，地面备用2台220 kW强排泵(每台排水能力200 m3/h)、2台MD280-43×3离心泵。②排水管路——12下202回顺安装1趟DN100和2趟DN225的排水管路，排水能力500 m3/h；12下202运顺安装1趟DN100排水管路；12下204回顺安装1趟DN100和2趟DN225排水管，排水能力600 m3/h，可满足工作面500 m3/h的设防能力。③水仓——12下202综放面共施工4个水仓，在12下202回撤通道两头附近低凹区域选合适位置各施工1个，在12下202运顺和回顺中部低凹区域选合适位置各施工1个，每个水仓仓容为100 m3，每个水仓竣工后要及时安装排水系统。

供电系统要求：①变电所引出的高压电缆线路要定期对电缆绝缘、接线盒进行测试，出现阻值下降的要及时处理；②每天对变压器进行实验，确保设备运行可靠；③在工作面安设一趟备用电源。

排水系统维护要求：①机电队和掘锚队确保将水泵放置于工作面低洼地点；②保证在用和备用排水设备全部处于热备用状态，确保开启时设备正常运转；③机电队和掘锚队每天检查管路完好情况，当出现管路跑水时，及时进行处理；④工作面淋水较大时立即组织掘锚队和机电队排水，并通知地质组和调度，由地质组进行水害分析。

其它要求：①雨季前对工作面地表进行观测，是否有地表裂缝，如有及时进行回填；②工作面锚索施工中，发现淋水加大、堵钻或锚索锚固不住时，必须进行探顶以确保安全；③火烧边界附近淋水加大时，要采取打探放水孔的措施。

3.4 应急响应

除了严格采取以上技术措施外，为了确保安全，专门制定了水灾应急预案，现场一旦出现灾害预兆立即启动应急响应。①工作面出现煤层发潮发暗，无光泽、煤壁挂汗、巷道中出现雾气、淋水突然增大，水呈红色，水味发涩或有臭鸡蛋味等异相时及时向调度汇报，并准备好排水设备；②当井下作业人员发现涌水量增大时，应及时汇报调度指挥中心，调度指挥中心应及时汇报矿领导，根据情况确定是否启动应急预案；③当工作面出现涌水不断加大时，应立即启动备用水泵，防止工作面出现水位上涨，水量无法控制时工作面跟班队干立即组织撤人；④根据突水量的大小和矿井排水能力，通风队下沙袋在大巷口堵住水流，机电二队下设备进行排水；⑤加强通风，防止瓦斯和其他有害气体的积聚而发生事故；⑥矿井供应站应提前准备好各种水灾应急物资，一旦发生水灾，迅速按照避灾路线升井。在12下202回顺、12下202切眼掘进期间水灾避灾路线为：12下202回顺掘进工作面→12上202运顺开口段→12煤二盘区总回风巷→回风斜井→地面；在12下202运顺、12下204回顺掘进期间水灾避灾路线为：12下202运顺、12下204回顺掘进面→12煤南侧辅运大巷→12上202运顺开口段→12煤二盘区总回风巷→回风斜井→地面。