燕子山煤矿沿空掘巷采空水综合防治技术研究

2022-09-16程帅

煤炭与化工 2022年8期

程帅

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西大同 037037）

1 概况

1.1 工作面情况

燕子山煤矿5208巷位于4号煤层302盘区，4号煤层结构复杂，厚度稳定，煤层厚度为5.12～9.34 m，有7～9层0.12～1.18 m的夹石，平均厚度0.45 m，全厚为7.80～11.47 m，煤层属厚煤层，煤层大致走向东西，倾向北，倾角为2°。

煤层顶底板岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构Table 1 Roof and floor structure of coal seam

5208巷服务于8208回采工作面，作为回采期间的回风和辅助运输巷，设计走向长度2 698 m。5208巷井下位于4号煤层302盘区，西部为4号煤层可采边界线，南部为8206设计工作面，东部为4号煤层盘区巷，北部为8210回采工作面。由于5208巷与8210工作面小煤柱设计间隔只有5 m，施工5208巷与8210工作面煤柱侧存在超挖不足5 m的情况，再加上开采动压，造成巷壁围岩疏散，可能使8210采空区的积水窜入5208巷，掘进时需加强探放水，并进行提前治理。

1.2 水文地质条件

5208巷掘进区域水文地质类型为中等，煤岩层含水微弱，含水系数0.1。最大涌水量为0.013 9 m3/min，正常涌水量为0.006 94 m3/min。

（1）含水层水。

4号煤层上覆有永定庄砂岩裂隙含水层和大同组层间裂隙含水层及山西组底部K3砂岩裂隙水，K3砂岩距4号煤层底部3.0～10 m，岩性为灰白色砂砾岩为主，胶结较为疏松，有水蚀痕迹和氧化锈斑。

（2）奥灰水。

根据《燕子山突水危险性评价报告》，4号煤层下伏有寒武承压水，突水系数0.017～0.024 MPa/m，属于带压安全开采区域，但是仍然要严防存在大断层、陷落柱导通寒武承压水的情况。

（3）相邻采空区积水。

该掘进工作面对应上覆11、14-2、14-3号煤层小窑破坏区及马脊梁矿301、303、305盘区采空区，预计低洼处存有积水，其与上覆11号煤层层间距198 m，14-2号煤层层间距176 m，14-3号煤层层间距168 m，需加强淋水观测。

工作面按照小煤柱设计，与相邻8210采空区间隔5 m，采空区低洼处积水，掘进期间受该采空区积水影响。

1.3 工作面周边构造

根据相邻2210巷掘进情况分析，预计5208巷1 150 m、2 161 m处分别揭露落差2.20 m、1.50 m正断层，对掘进影响较大；预计5208巷掘进至1 037 m处揭露1处岩墙，影响范围10 m；预计5208巷2 538～2 738 m受岩浆岩侵入影响，煤层会变薄。地质构造具体情况见表2。

表2 地质构造情况Table 2 Geological structure condition

2 水文地质勘查

2.1 勘查原理

为分析8210采空区的水文地质特征，在煤层底板采用瞬变电磁法对采空区积水进行综合探查。瞬变电磁法是指通过接地线源在地下探测区域内制造一次脉冲磁场，脉冲磁场遇到地下含水区等异常介质时会引发二次感应涡流场，然后通过低敏电极线圈接收涡流场，观测异常介质电阻率的一种方法。

瞬变电磁法的探测原理如图1所示，地下异常介质引发的二次涡流场呈环带形依次分布。二次涡流场的强度主要与地下介质的电阻率相关，当脉冲磁场遇到正常且完整性较好的岩层时，其电阻率一般较高，激发的涡流场强度偏低；当脉冲磁场遇到岩层富水时，其电阻率相对较低，激发的涡流场强度较高。因此，可通过接收的二次涡流场强度特征，反演出地下低电阻率区域的分布情况，推断出地下构造及含水情况。

图1 瞬变电磁法的探测原理Fig.1 Exploration principle of transient electromagnetic method

2.2 勘探结果分析

根据8210工作面回采时的揭露情况，8210采空区的底板高度由开切眼至回撤通道呈逐渐降低的趋势，8210运输巷的底板标高为933—945 m，8210回风巷的底板标高928—940 m，运输巷及回风巷的最低点距回撤通道分别为1 200 m、900 m。根据8210采空区底板起伏情况并结合瞬变电磁探查结果，绘制出8210采空水3D曲面流场，如图2所示。根据3D曲面流场将采空区积水划分为1号、2号、3号3个重点积水疏放区，如图3所示。

图2 采空水3D曲面流场Fig.2 Three dimensional surface flowfield of goaf water

图3 8210采空区积水划分Fig.3 Water division of No.8210 goaf

1号积水区的积水面积约为133 315 m2，最大积水高度为6 m，预计积水量为8.79万m3；2号积水区的积水面积约为182 160 m2，最大积水高度为1.5 m，预计积水量为12.14万m3；3号积水区的积水面积约为87 201 m2，最大积水高度为2 m，预计积水量为5.72万m3。

3 采空区水害综合防治技术

3.1 探放水技术

在5208巷1、2、3号积水区对应的区域进行疏放水施工，每个积水区循环施工7个放水钻孔，钻孔开孔位置距底板0.5 m，开孔孔径为127 mm，下入108 mm的护壁套管，并用水玻璃及水泥浆进行封堵处理；终孔孔径为89 mm，下入74 mm的护壁套管，终孔向采空区内延伸3 m，钻孔最前端为1 m的滤水管。放水钻孔的结构如图4所示。

图4 放水钻孔的结构Fig.4 Structure of drainage drilling hole

3.2 钻孔放水情况

以2号积水区疏放水情况为例，7个钻孔终孔总水量为500 m3/h，详见表3。

表3 放水钻孔参数Table 3 Parameters of drainage drilling hole

在疏水期间，实测采空区水位高度为1.5 m，在放水初期的疏水量为173 m3/h，2个多月后的疏水量下降至34 m3/h，随后由于钻孔透孔，疏水量上升至64 m3/h，后下降至33 m3/h。采空区水位高度由1.5 m逐渐下降至0.8 m，并保持平稳不再变化，说明采空区静态储存水基本疏放彻底，水位高度低于1 m，达到了采空区积水疏放标准，无需增加疏水钻孔数量。具体放水情况如图5所示。

图5 2号积水区疏放水情况Fig.5 The situation of drainage in No.2 water accumulation area

3.3 先放水后掘进

掘进前先进行钻孔疏放水，待采空区整体水位低于局部水位且局部水位低于1 m时方可开始掘进施工。5208巷沿4号煤层底板掘进，4号煤层存在较宽泛的褶皱，根据8210工作面2210巷的揭露情况，5208巷在掘进时存在底板标高较低的地方，掘进至该区域时，若采空区局部水位高于1 m，需停止掘进并加设钻孔进行疏放水，待水位低于1 m后继续掘进，做到先探、后放、再掘的施工工艺。

巷道掘进过程中，在巷道工作面侧选择低洼处及有上覆探放水处施工水仓，规格为3 m（长）×2 m（入深）×2 m（高），其中底板下挖深1.5 m。采空区内的疏放水先排入水仓，后由水泵加压，经φ108 mm管路排放至山4号煤层盘区轨道巷水沟。正常情况水泵功率5.5 kW，涌水增大时用大功率水泵排水，排水能力60 m3/h。

3.4 小煤柱注浆加固

由于小煤柱宽度仅为5 m，且部分区域存在超挖现象，在采掘应力的扰动下，煤柱内部裂隙发育程度较高，容易发生采空区水渗出甚至煤柱倒塌的事故，为提高煤柱的稳定性及隔水性，需对其进行注浆加固。

注浆浆液选用高水速凝材料，水灰比为1∶1.5，该材料具有凝结速度快、强度高等优点，28 d后的单轴抗压强度可达到9.6 MPa。一般软岩的破碎范围为1.0～1.5 m，考虑到过深的注浆孔会联通采空区，因此注浆深度选择2.0 m。注浆终孔压力为1～1.5 MPa，间距为1.0 m，采取间隔式交替注浆。

为消除隔离小煤柱裂隙，注浆结束后对巷道中线至小煤柱侧实施喷浆，小煤柱帮喷浆厚度宜为80～100 mm，初喷不得滞后于工作面50 m，复喷不得滞后于工作面100 m。

小煤柱注浆及巷帮喷浆均在积水区范围内施工，其他区域正常掘进。