韩家洼煤业22301 综放工作面水灾害防治技术应用研究

吴彦伟

（山西焦煤山煤国际韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

1 概 况

山西焦煤山煤国际韩家洼煤矿22301 综采工作面回风顺槽总长度为434.4 m、运输顺槽总长度为428.7 m，该矿22301 工作面长度为200 m，22301工作面保护留设的煤柱为30 m，工作面可采长度402 m。工作面可采储量129.01 万t，损失煤量19.31 万t，回采煤量109.7 万t。煤矿22301 工作面使用放顶煤开采技术。考虑到放顶煤开采可能引发的水灾、火灾、瓦斯爆炸等灾害。本文结合22301 综采工作面的实际情况，基于井田水文地质条件和工作面充水条件，分析了该工作面水灾事故的原因，并给出了相应的防治措施[1]。

2 井田与工作面水文地质条件

2.1 井田水文地质条件

井田为低山丘陵地貌，大部分为黄土覆盖，黄土冲沟发育呈树枝状展布，地形总体呈东南高西北低的趋势，最高点位于井田东南部，高程为1 565 m，最低点位于井田西北部沟谷，高程为1 470 m，最大相对高差95 m。一般地形标高1 510—1 560 m。井田及周边邻区无地表水体，降水大部分都以地表径流排出，一部分降水由垂直渗透松散地层，和侧向补给煤系砂岩含水层。北泉沟在井田中部，沟长1 500 m，雨季聚集的水为矿井地下水的补给源。地表径流为雨季的山洪爆发，时间短，排泄快，入渗量小，韩家洼煤矿井田属于神头泉域补给径流区。本井田奥灰水位标高为1 169.5 m，25 号煤层底板标高1 225—1 320 m，煤层位于奥灰水位之上。含水层主要为奥陶系灰岩含水层、太原组含水层、山西组砂岩含水层、下石盒子组砂岩含水层、风化壳和第四系冲积层。

2.2 工作面水文条件

（1） 含水层。22 号煤层受采掘破坏影响的直接充水含水层大致为太原组砂岩裂隙含水层，间接充水含水层为二叠系下统下石盒子组与山西组砂岩裂隙含水层和新生界松散岩类孔隙含水层，单位涌水量全部小于0.1 L/s·m，为弱富水含水层。根据《煤矿防治水规定》，受采掘活动破坏及影响的含水层和水体主要有基岩裂隙水，其补给条件差。奥陶系和寒武系石灰岩位于地表320 m 以下，奥灰岩溶水位低于25 号煤层底板，全井田全煤层不存在带压开采。

（2） 工作面周边采空区及小窑积水。矿井现开采22 号煤层，22301 工作面井下位置位于西盘区西南部，北部为原韩家洼盘区回风大巷；东部为2009 年10 月前（兼并重组前） 的西盘区保安煤柱；南部、西部为矿井边界。依据韩家洼煤业的采掘工程平面图，22301 工作面内有采空巷道，目前未发现有积水积气情况，建议队组在生产中对该工作面内部采空巷道积水、积气量进行监测，如有积水、积气及时处理。

根据本矿提供的数据及采空区积水、积气调查报告，本工作面周边不存在小窑积水。

2.3 采空区积水分析

根据矿井水患补充调查报告，同时结合韩家洼煤业提供的采掘工程平面图，兼并重组前井田内仅对22 号煤层进行过开采，兼并重组后到目前为止只开采过22 号煤层，在采空区低洼处存在一定量的积水。

22 号煤层顶板伪顶为砂质泥岩，直接顶为中砂岩，老顶为细砂岩，根据煤层的顶板岩性，属半坚硬的岩石。采用式（1） 可以计算其导水裂隙带高度[2]：

式中：M 为累计采厚，m。

经计算，22301 工作面22 号煤层厚度10.5～12.2 m，导水裂隙带高度74.8～79.9 m，22301 工作面22 号煤层与地面间距在260 m 左右，因此22号煤开采不会沟通地面。根据以上分析，判断水文地质条件为中等类型。

3 工作面水害防治

3.1 工作面排水

22301 工作面为北低南高，东西方向基本水平，工作面涌水不能通过水的自流排出，因此在运输顺槽和回风顺槽最低处各设1 个临时水仓，配备小水泵，负责工作面开采前和初采时排水任务，在工作面回采时，随工作面推进前移水泵，水泵接入顺槽DN100 排水管路，顺槽排水管路经西盘区采区大巷排入中央水仓。

3.2 工作面防水害措施

（1） 进入本工作面人员必须提前学习并熟练掌握工作面水灾避灾路线。

（2） 矿上要定期对工作面上部附近地表进行观测，特别是雨季前要及时封堵地表的导水裂隙，并及时把地面可能汇水的低洼处及时填平，地面修建必要的引水沟渠，把地面水引到对工作面无危害的汇水区域，并加强雨季地面降水的监测工作，提高防范意识，及时制定相应的应急预案[3]。

（3） 对两巷低洼处的积水要根据水量选择，安设水泵进行排水，并准备好备用水泵、水管，以保证积水能及时排除。

（4） 工作面生产过程中，若发现工作面有透水预兆时，必须立即停工撤人，并报矿调度中心[4]。

（5） 工作面推进过程中，若涌水增大应立即撤人，并汇报矿调度室。

（6） 采掘期间，加强采空、古空区的水文地质调查。对于可能对22301 工作面突水的上部及周边采空区有掘必探，先探后掘。发现有出水预兆时，及时停止作业，并采取措施，探放采空区水体。探放后还要对探放后采空区进行定期监测。

（7） 煤矿要结合安全和效益实际情况，核实保安煤柱的留设宽度，确保矿井安全生产。

4 工作面探放水措施

4.1 超前探水设施

根据《矿井通风安全装备标准》确定井下物探设备为YCS40 型瞬变电磁仪，探放水钻机型号为ZLJ-400 型3 台，单台钻机功率22 kW，探水距离200 m。采用超前探水，积水线、探水线、警戒线、钻孔布置设计如下。

（1） 在煤层掘进过程中采用瞬变电磁法进行连续超前探测，用于查清迎头本煤层及顶板方向与煤层成30°至底板15°夹角区域，在180°方位100 m 范围内的富水区分布情况，异常情况必须钻探验证，按照每掘进60～80 m 进行循环探测、验证组织。

（2） 对采掘造成的老巷、硐室等积水区，其边界准确，当水压不超过1 MPa 时，探水线至积水区的最小距离，煤层中不得少于30 m，岩层中不得少于20 m。

（3） 在掘进巷道附近存在断层或陷落柱时，探水线到最大摆动范围预计煤柱线的最小距离不得小于60 m。

（4） 探水钻孔通常采用75 mm 直径孔。孔数一般不少于5 个。孔呈扇形布置，其方向应在工作面前向的中心和上下左右方向。至少有一个中心孔。钻孔布置方式如图1 所示。

图1 掘进巷道探水钻孔布置Fig.1 Layout of water exploration drilling in excavating raodway

4.2 工作面放水设施

为满足放水要求，防止孔口被水冲坏，设计与制定了如下方案，以确保放水安全进行。

（1） 孔口管设计与安装（图2）。①开孔孔径应当大于孔口管直径的1～2 级，钻进到10.5 m时，铣孔后，下入φ108 mm 地下套管10 m，孔口管与孔壁间注浆；②扫孔后，进行孔口管的耐压试验。试验压力到预计水压1.5 倍并稳定维持30 min，孔口管不松动、周围不漏水时为合格，否则重新再注浆固管打压，做耐压试验直至合格；③在节理裂隙发育和岩石松软破碎带，并且无可选位置的，应注浆加固后，再安设孔口管。

图2 单孔设计示意Fig.2 Single-hole design

（2） 在孔口管安装高压闸阀后，方可继续开钻施工。

（3） 在需收集放水时的水量、水压等基础数据时，应在孔口管上安装水压表、汇水管等。

（4） 对压力高于1 MPa 且水量较大的积水或强含水层探放水作业时，孔口应安设防喷逆止阀。

4.3 探放水安全措施设计

（1） 探水钻孔应成组，巷道前方水平内呈扇形布置，终孔位置为平距3 m。终孔孔径一般不大于75 mm。探放断裂构造和岩溶水时，钻孔应沿掘进方向的前方下方布置，底板方向的钻孔布置数不得少于2 个[5]。

（2） 要加强探水时探水钻孔附近的巷道支护工作，并在迎头打好立柱和栏板，在打钻地点或其附近安设专用电话。

（3） 在预计水压大于0.1 MPa 的地点探水时，应预先固结套管，套管口应安装闸阀，必须在探放水方案设计中明确套管深度。提前制定避灾路线等安全措施，班前会宣贯清楚。

（4） 打钻过程中，如发现钻孔流水水量超过正常打钻供水量，必须立即停钻（不得移动拔出钻杆） 监视水情，同时及时报告煤矿调度，如果情况紧急，受水威胁地点需立即撤人，并采取应急措施。

（5） 探到水时，孔口需用套管进行加固，通过套管钻进，并在套管上安装水压表及阀门，待水源有水流后，可利用套管放水。

（6） 钻孔放水前，应当首先预估积水量，结合煤矿的排水设施及排水能力，及时控制好放水流量；放水时，应当安排专人监测钻孔出水情况，测定水量和水压，做好记录，如果水量突然变化，及时作出处理，并立即报告煤矿调度。

5 结 语

根据山煤韩家洼煤业22301 综放工作面的地质与水文条件，综合工作面与奥陶系灰岩含水层、太原组含水层、山西组砂岩含水层、下石盒子组砂岩含水层的特性，采用瞬变电磁探测方法进行超前探水，分析探测结果制定设计出防水安全技术措施，对于类似工作面防水工作有一定参考价值。