煤矿巷道探放水安全技术措施分析

2022-04-02王颜

山西冶金 2022年1期

王颜

（晋能控股煤业集团四老沟矿探放水一队，山西大同 037000）

山西的雁北地区同时存在侏罗系和石炭系煤层，多产3 号和5 号煤，岩溶水承压，且具有较弱的富水性。同煤某矿进行大程度开采后，采空区富集有水体，其中的水位能够达到1 040～1 090 m，所以对于接下来的下层煤炭开采带来极大的难度；再加之首次开采煤柱的存在，加大了物探工作的难度。通过以上两点证明，对于煤矿巷道的布置要予以相当的重视，这将对煤矿的安全高效生产产生很大影响。

1 同煤某矿概况

同煤某矿的井田位于大同市西南方向，距离市区30 km，在整个大同煤田的中部靠东侧，其中的水系是口泉河水系。该煤矿煤层开采基本结束，正在向更深的煤层延伸。但是下部存在奥陶系灰岩岩溶水，其中主要开采的3 号和5 号煤底板标高都达到820～970 m，在进行采掘工作时，这种煤矿的水况在极大程度上加大了采掘工作的难度。

2 煤矿突水危险性评估及存在问题

只有对煤矿区域的具体情况进行全面掌握才能够针对性解决其存在的水环境问题，同煤某矿水况具体情况如表1 所示。

表1 同煤某矿水况表

同煤某矿主要对其中的3 号和5 号煤层进行开采，通过对矿井的综合情况进行探测得出，矿井中主要包含有以下问题：矿井中的采空区数目较多且相互间的联系复杂，这给矿井水富集的探测工作带来很大影响；在矿井的物探阶段，整个工作必须通过采空区，这给工作增加了很大难度。鉴于以上问题，提出了留设防水煤柱的同时，加强底板注浆的形式以实现矿井水危害防治。

3 探放水巷道布置

3.1 探放水巷道布置方式

在长时间的巷道错距布置的研究和实际施工中，通常都是采用外错、内错、重叠的方式来布置探放水巷道[1]，各种巷道布置方式如表2 所示。

表2 各种巷道布置方式的特点

通过实际地质环境情况得出，煤矿的探放水巷道可以引入外错布置的方式进行相关设计和提出解决措施，此方式能够极大提升探放水的安全性，有效地回收矿下煤炭。根据四老沟矿具体地质环境，煤层的架空人车大巷进风顺槽水平距离定为42 m。

3.2 探放水巷道外错距计算

根据现有研究成果分析得到，矿井巷道的煤柱应力分布与煤柱布置位置有很大关联。煤柱的应力分布不均衡程度与煤柱间距呈负相关关系。因此，探放水巷道布置在小应力的位置是最佳的。在行业的研究设计中，一般通过改变率k值来代表应力分布不均衡的程度：

式中：σ（x）为煤柱底板同一水平截面上的应力分布函数；x为煤柱采空区一侧与选取点距离。

经分析可算出煤柱集中应力不均衡分布范围SSX[2]：

式中：L为预留煤柱宽度，m。

通过以上计算得到煤柱留设宽度同探放水巷外错距离之间的关系，具体如表3 所示。

表3 煤柱留设宽度同探放水巷外错距离之间关系

煤矿探放水巷道的采空区侧边缘水平距离通过Skx表示。计算结果通过以下方法得到：

式中：Skx为矿井探放水巷道的采空区侧边缘水平距离，m；hr为煤层间距，m；m为煤层厚度，m；β 为煤层倾角大小，（°）；δ 为煤柱集中应力影响传递角，（°）。

根据同煤某矿实际情况，得到平均煤层间距和平均倾角分别为4.34 m 和50°，18.13°～48.49°为煤柱集中应力影响传递角的取值区间。通过以上数据得到，2.23～7.21 m 是采空区侧边缘水平距离的取值区间，再考虑上动压影响等因素，设定安全系数为1.3，那么取值区间变动为2.89～9.37 m。最终，设计的外错距离定为10 m，探放水巷道宽度为4 m。

3.3 探放水巷道煤柱防水效果校验

通过对以上结果进行分析，最终确定煤柱宽度为28 m。针对当前矿井积水问题，应将隔水煤柱的计算数据进行分析认证，确保生产的安全性。

在计算过程中，若未对煤层的均匀性和连续性进行充分考虑，该隔水煤柱可能会受到不同煤层的不确定应力载荷影响，因此在相关计算中，需将弹性核区和塑性屈服区两个影响因素考虑进去。最终，通过对矿井中工作面的弹性核区和塑性屈服区的范围进行计算得出，煤柱的合理隔水宽度应大于14.58 m，与计算的28 m 相比较，计算出的结果能够起到有效的隔离水的效果。

4 探放水技术措施

经过上述计算后，还应该运用多台泵分级排水作业的方法进行防水。设计的排水套管总长定为7 m，每三个节通过铁丝固定，钻孔孔口通过水泥砂浆封堵，将100 mm 的阀门接在外侧，将钻孔塌孔对抽排水工作造成的影响降到最低。同时还要做好相关防治水工作[3]：做好探放水期间的水情观察的相关工作；坚持做好水文情况的专项预报，注意上报的时效性；合理布置备用排水大泵，做好应急预案。