刘家梁煤矿5137底抽巷导水通道探查分析与涌水治理
2022-07-08刘国兴
刘国兴
(晋能控股煤业集团轩岗煤电有限责任公司 刘家梁煤矿，山西 原平 034114)
我国煤层赋存地质条件复杂多变，大量煤炭资源受水害威胁，资料显示，我国是世界上受矿井水患威胁最严重的国家之一，截至目前，我国受水害威胁的矿井仍超过8 000座。矿井水患主要是地下水以突发等形式进入矿井地下空间，具有易造成严重伤亡、救援难度大等特点，因此，矿井水害是制约我国煤矿安全高效生产的关键因素之一。矿井水害的主要源头是采空区积水和底板承压水，这两个源头也是矿井水害防治的重点对象[1-6]。本文以刘家梁煤矿5137底抽巷多次发生巷道涌水为工程背景，采用钻孔探查的方式查证分析了底抽巷涌水点导水通道，设计采用构筑挡水墙进行了涌水治理。
1 工程背景
5137工作面为刘家梁煤矿513采区最后一个回采工作面，工作面系统尚未形成，目前正在掘进5137底抽巷。5137工作面东北为3条系统大巷，东南为5136工作面(正在回采)，西南和西北均为矿界，5137底抽巷位于5号煤层下部，局部巷道揭露6号煤层，该巷道最低底板标高约+915 m，奥灰水位标高为+1 134.32～1 150.79 m。5137底抽巷掘进至305 m处时，迎头顶板及左帮钻场底板涌水明显增大，涌水点水量9.5 m3/h，出水持续周期16 d；巷道向前掘进至420 m时，巷道迎头顶板及煤壁出现不同程度淋水，初期涌水量23 m3/h，15 d后水量减小为15 m3/h；后期在5137底抽巷施工顺煤层探水钻孔过程中，发生孔内涌水，随着孔内水量增大，超出巷道排水能力，涌水量为80～130 m3/h，后期稳定涌水量115 m3/h，影响到巷道正常掘进，为此继续开展5137底抽巷水害治理工作。
2 5137底抽巷导水通道探查分析
在5137底抽巷水害治理工作前应查明涌水点水源及导水通道，采用钻孔探查的方式查证5137底抽巷涌水点导水通道。
2.1 钻孔布置与施工工艺
1) 钻孔参数。5137底抽巷设计布置6个导水通道探查钻孔，具体钻孔参数如表1所示，设计钻孔总尺831 m，钻孔垂深控制在5号煤底板下30 m至奥灰含水层上部。
表1 5137底抽巷探查钻孔参数
2) 钻孔结构。5137底抽巷导水通道探查钻孔开孔孔径为168 mm，提前下入5 m长D146 mm地质套管，固管扫孔后，更换D133 mm钻头继续钻进至15 m(具体施工过程中，应根据实际情况确定孔口管长度)，之后下入D108 mm孔口管，进行注浆固管，固管后继续换D89 mm钻头钻进至终孔，钻孔结构如图1所示。
图1 钻孔结构图(mm)
3) 施工工艺。5137底抽巷导水通道探查钻孔施工工艺如下：①按设计要求确定探查钻孔位置及方位；②加固钻场及稳钻；③将准备好的孔口管插入打好的孔内，采用水泥浆稳固孔口管；④加装高压阀门及防喷装置；⑤水泥浆凝固48 h后，沿孔口管扫孔继续钻进，钻进距离超出孔口管1～2 m后，进行耐压试验；⑥耐压试验合格后，换D89 mm钻头继续钻进至终孔，期间进行三量(水量、水压、水温)观测；⑦钻孔测斜及封孔。
2.2 探查结果及分析
2.2.1 钻孔探查结果
5137底抽巷共施工6个导水通道探查钻孔，钻孔总进尺833.5 m，对探查钻孔进行了水量、水压、水温观测，探查钻孔水量在2～40 m3/h，水压在0.2～1.6 MPa，水温恒定在9 ℃，最大涌水和最大水压均位于ZJ3-3钻孔，探查钻孔探测结果如表2所示。
表2 5137底抽巷探查钻孔探测结果
2.2.2 联通试验及分析
利用ZJ5-4、ZJ3-2、ZJ3-3等3个探查钻孔进行联通试验。
1) 在ZJ5-4、ZJ3-2钻孔设置导水管进行放水试验。放水期间，两个导水管的出水量在113～127 m3/h，两个孔关闭时两个导水管的出水量为147 m3/h，表明ZJ3-2、ZJ5-4两个钻孔可能在奥灰层位与5137突水点连通。
2) 在ZJ3-3钻孔注浆后进行联通试验。两个导水管(ZJ5-4、ZJ3-2钻孔导水管)不返浆，ZJ3-3钻孔扫孔至61 m处出水16.0 m3/h，注水泥34.3 t，两个导水管的水量没有明显变化，说明在ZJ3-3孔深61 m以浅区域，ZJ3-3孔与5137突水点不存在联系，后扫孔至原终孔位置126.2 m，水量35 m3/h，放水12 h后注水泥167.2 t。注浆结束后，两个导水管的出水量减小为120 m3/h左右，说明ZJ3-3孔在深部区域(垂深40.64～75.41 m)与5137突水点有可能具有联通性。
3 5137底抽巷挡水墙设计
5137底抽巷导水通道探查结果显示，5137底抽巷导水通道可能与奥灰层位沟通，设计采用构筑挡水墙进行5137底抽巷水害治理，挡水墙设计如下：
1) 第1道临时挡水引流墙。在5137底抽巷迎头出水口处，施工1个临时挡水引流墙，墙厚1.2～1.5 m，墙体采用整袋水泥码放和红砖沙浆结合施工，同时，设计预埋3趟D133 mm×6 mm 无缝钢管导水引流管，1趟D50 mm注浆管，1趟D108 mm观测管。
2) 第2道临时挡水引流墙。在挡水墙前方选择合适位置(3～5 m)再施工1道临时挡水引流墙，将剩余渗水挡住引到排水管内，保证挡水墙施工质量，临时挡水墙直接采用袋装水泥码放或红砖沙浆结合施工，中间用水泥沙浆充填，总厚度为1.2 m，高度1.5～2 m，挡水墙内预埋2趟D133 mm×6 mm无缝钢管导水引流管、1趟D50 mm注浆管和1趟D108 mm观测管。
3) 主挡水墙。在底抽巷涌水点后，围岩稳定、相对完整、强度较高的地段施工挡水墙，主挡水墙采用红砖沙灰浆配合注浆的方式，施工形成一个完整的墙体，具体要求如下：①挡水墙四周开槽至稳定围岩，墙体沙灰浆饱满，墙体接顶处要用砖垒实灰浆灌满，最高处要预留加固注浆管，补注墙体接顶接帮处，使墙体达到完整无空隙的要求，四周(顶、底、两帮)在现场通过预留加固注浆管，使用风泵注浆加固后，形成一个完整的墙体。②墙体以里到迎头，经最低D133 mm导水引水管和D50 mm注浆管分别用大泵注浆、注实，经墙里顶板最高D50 mm观测管返出水泥浆为止。③凝固24 h后，再经过D50 mm观测管注浆加压到3.0 MPa以上即可。④墙体和墙里注浆凝固24 h后，整体耐压强度保证在8.0 MPa以上。5137底抽巷挡水墙设计见图2。
图2 5137底抽巷挡水墙设计剖面图
4 5137底抽巷水害治理
在刘家梁煤矿5137底抽巷掘进迎头构筑挡水墙治理底抽巷涌水，具体施工如下：
1) 挡水墙施工：在5137底抽巷迎头位置施工第1道临时挡水墙，墙厚1.7 m，迎头后退4 m施工第2道临时挡水墙，总厚度为1.2 m，高度1.5～2 m，迎头后退10 m位置施工主挡水墙，两帮开槽0～1.0 m，底板开槽0.5～1.0 m，顶板开槽0.5～1.0 m，墙厚4.26 m。3道挡水墙施工共用沙子45 m3，砖53 000块，水泥42 t。
2) 预埋管路：第1道临时挡水墙内预埋3趟D146 mm×6 mm无缝钢管导水引流管，导水引流管放入墙体底部里面1.0 m左右，将水全部引流到管内；1趟D50 mm注浆管，深入墙体10 m以上；1趟D108 mm观测管，用于观测注浆情况及注浆；第2道临时挡水墙内预埋1趟D133 mm×6 mm无缝钢管导水引流管、1趟D50 mm注浆管和1趟D108 mm观测管。
3) 主挡水墙注浆加固：主挡水墙内预埋了36根6分管用于加固墙体，加固墙体用水泥5.25 t，第1道临时挡水墙及主挡水墙之间注浆，用水泥181.5 t，挡水墙内出水点封堵注浆，用水泥168.75 t，压力1.2 MPa。
综上所述，在刘家梁煤矿5137底抽巷掘进迎头采用构筑挡水墙的方式治理了底抽巷涌水，避免刘家梁煤矿因5137底抽巷涌水造成更严重的水灾事故。
5 结 语
以刘家梁煤矿5137底抽巷多次涌水为工程背景，采用钻孔探查的方式探查5137底抽巷导水通道可能与奥灰层位沟通，基于此，设计采用构筑挡水墙的方式进行治理。共施工3道挡水墙：第1道临时挡水墙在迎头位置施工，第2道临时挡水墙距迎头4 m处施工，主挡水墙距迎头10 m处施工。采用构筑挡水墙的方式治理了底抽巷涌水，避免刘家梁煤矿因5137底抽巷涌水造成更严重的水灾事故。
