两软一硬煤层“三沿”开采老空水害防治综合技术实施

刘圣洁

（河南永锦能源有限公司，河南 禹州 461670）

1 矿井及工作面概况

云庙矿位于云山井田中部，属煤与瓦斯突出矿井，煤层自燃倾向等级为Ⅲ类。矿区基本构造形态为走向北东，倾向南东的单斜构造。区内主要构造为走向正断层，浅部的花岩断层是井田的上部边界，深部下白断层是井田的下部边界。矿区地层为华北地台沉积地层，主要开采二1煤层，属贫瘦煤，煤层厚度0.5～11 m，平均厚度3.5 m。矿井水文地质条件中等，正常涌水量80 m3/h，最大涌水量120 m3/h。

矿井备采工作面上顺槽位于-60 m水平23采区西翼，地面标高+310～+430 m，工作面标高+75.235～+95.987 m，工作面设计长度1 155 m，工程量14 462 m3。该巷道上部已回采工作面采空区，下部为备采工作面，西为矿井3条下山，东部为矿井边界。工作面设计采用无煤柱沿空掘巷技术施工，巷道坡度设计沿煤层顶板掘进，煤层煤厚大于3.5 m时，采用U型钢棚支护，煤层厚度小于3.5 m时，采用锚网支护，主要用于备采工作面的瓦斯治理及运输、通风、行人，服务年限约3 a，2017年4月开工，2017年12月份竣工。

2 地质及水文地质特征研究

2.1 地质情况分析

根据实际揭露地质情况，工作面煤（岩）层产状走向NE35°～42°，倾向SE55°～48°，倾角11°～30°，平均倾角17°。工作面内小构造较发育，工作面掘进期间共揭露断层3条，落差最小3.5 m，最大6.4 m，均不含水、不导水（具体参数见表1）。根据三维地震勘探资料分析，工作面内无岩浆岩、冲刷带、陷落柱。

2.2 水文地质情况分析

1）矿井主要开采煤层为二叠系山西组二1煤层，属于两软一硬煤层（即煤层软、底板软，顶板硬），由于矿井开采方式为由浅部向深部进行，导致掘进下个采面的回风顺槽期间受上个采面的采空区积水的威胁，根据工作面实际揭露的水文地质情况，备采面上顺槽掘进至通尺168～245 m和475～740 m，巷道顶板施工锚杆、锚索时有顶板“滴、淋”水，水量0～2.0 m3/h。经分析判定23300采煤工作面采空区积水面积为12 958 m2，积水量7 449 m3，积水区水头高度为22.5 m（积水标高为+67.9～+90.4 m），最大水头压力为0.225 MPa[1]。

表1 煤层顶底板情况表

2）掘进期间主要水害影响分析。

二1煤层顶板砂岩裂隙水：顶板砂岩裂隙水为工作面主要充水水源之一，二1煤层直接顶板砂岩裂隙含水层富水性弱，涌水量较小，对工作面掘进影响较小。

太原组上段岩溶裂隙水：是二1煤层底板直接充水含水层，岩溶裂隙不发育，富水性弱，含水性亦极不均一，太原组上段岩溶裂隙水以静储水量为主，水量消减快、持续时间短，对工作面掘进影响小。

太原组下段岩溶裂隙水：为二1煤层底板间接充水含水层，浅部岩溶裂隙发育，富水性中等，由于太原组下段含水层出露面积小，接受大气降水补给有限。

根据《煤矿防治水规定》中附录四中突水系数计算公式：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力,MPa；0 MPa（太原组下段灰岩水头标高取+32 m）；M为底板隔水层厚度（太原组下段灰岩隔水层厚度取45.9 m），m。

则Tt=0 MPa/m＜0.06 MPa/m。（Tt是指太原组下段灰岩含水层突水系数）[2]。

寒武系岩溶裂隙水：为二1煤层底板间接充水含水层，岩溶裂隙、溶洞发育，富水性不均一。

根据《煤矿防治水规定》中附录四中突水系数计算公式；

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力,MPa；0 MPa（寒武系上统白云质灰岩含水层水头标高取+40 m）；M为底板隔水层厚度（寒武系上统白云质灰岩含水层厚度取65.5 m），m。

则TH=0 MPa/m＜0.06 MPa/m。（TH是指寒武系上统白云质灰岩含水层突水系数）

断层水水害分析：根据巷道实揭及三维地震勘探资料分析，工作面内发育3条断层，断层落差0～6.4 m，断层均不含水、不导水，因此工作面掘进期间不受断层水影响[3]。

综合上述，工作面掘进期间不受寒武系上统白云质灰岩含水层威胁和石炭系上统太原组下段灰岩含水层威胁，工作面掘进主要受老空水、二1煤层顶板砂岩裂隙水影响。预计工作面掘进期间正常涌水量10～30 m3/h，最大涌水量100 m3/h。

3 综合防治技术

以备采工作面上顺槽沿上部已回采老空掘巷工程为背景，重点研究无煤柱沿空掘巷期间工作面受上部老空水水害威胁下，矿井自主探索无煤柱沿空掘巷综合防治水技术，通过探索新的防治水技术，解决无煤柱沿空掘巷施工期间工作面受上部老空水威胁这一技术难题，为工作面无煤柱沿空掘巷的安全施工提供技术保障,主要从6个方面研究无煤柱沿空掘巷综合防治水关键技术：①沿煤层顶板和无煤柱沿空掘巷技术；②追排水技术；③长、短钻孔验证技术；④汇水硐室排水技术；⑤“V型”巷道应急排水系统技术；⑥底板岩巷穿层钻孔超前放水技术。

4 现场技术应用

4.1 沿煤层顶板和无煤柱沿空掘巷技术

随着煤炭生产新工艺的不断发展，沿空掘巷工艺在国内煤炭行业逐渐推广应用，沿空掘巷可以实现无煤柱开采，减少了资源浪费，提高矿井煤炭资料回收率。工作面顺槽无煤柱沿空掘巷巷道坡度设计沿煤层顶板掘进，煤层煤厚大于3.5 m时，采用U型钢棚支护，煤层厚度小于3.5 m时，采用锚网支护；无煤柱沿空掘巷，始终揭露相邻已回采工作面老空，保证老空内积水自然排泄的条件，防止不规则老空区二次积水情况发生；进一步掌握老空区情况，有利于现场作业安全；设计沿煤层顶板掘进，一是工作面沿走向布置，巷道整体坡度起伏变化不大，因煤层顶板坚硬，稳定性好，易于支护，且巷有利于工作面排水系统的建立；二是可以直接揭露煤岩层情况，掌握最准确的地质资料，为长短钻孔验证角度设计提供基础数据支持；三是可以与上部老空形成顶板对接关系，避免待掘巷道与老空区顶板形成高差，造成顶水作业[4]。

4.2 追排水技术

现场使用与预计控制疏放老空区积水量相匹配的排水泵，并连接回采前期在老空区内已埋设的排水管路对老空区内补给动水（水量10 m3/h）进行疏排，排水管路保持与工作面迎头一定距离，随巷道掘进而延长，避免采空区已经放水钻孔疏放的积水后形成二次积水区域。

4.3 长短钻孔验证技术

长短钻孔验证技术是为保证巷道安全快速掘进，工作面掘进前在与老空接触的一侧向前方设计一长一短2种钻孔进行探查（具体参数如图1、图2、图3所示），以进入老空1 m为准（具体参数见表2所示），验证前方80 m的老空情况，保留30 m的超前距；在允许掘进范围内，随着顺槽掘进向斜前方设计短探验证孔，保证超前10 m，加以二次验证，确保无残存积水[5]。

图1 探放水钻孔设计图

表2 探放水钻孔参数表

图2 探放水钻孔结构设计图

图3 探放水钻孔断面布置图

4.4 汇水硐室排水技术

备采工作面顺槽掘进时标高每下降1.2 m在距工作面顺槽迎头5 m老空侧施工一个汇水硐室与采空区联通（顺槽上山掘进或水平掘进时不做汇水硐室）。硐室内挖设一个长1.5 m×宽1.5 m×高0.6 m的汇水硐室，汇水硐室因在采空区内故需进行加强支护，使用锚网和塑编网进行加固，防止积水时间长损坏汇水硐室顶帮。汇水硐室内安放2台排水能力不低于60 m3/h的排水泵，水泵排水管接到顺槽内排水管路，汇水硐室汇集采空区内动水并进行疏放，防止采空区积水标高高于工作面顺槽标高[6]，形成水害隐患，对施工带来影响。

4.5 “V型”巷道应急排水系统技术

工作面顺槽掘进期间每一处“V”型最低点位置施工永久排水阵地[7]，水窝进水口处挖设沉淀池，防止煤泥过多损坏水泵，水窝内安装排水能力60 m3/h和160 m3/h排水泵各1台，用于日常排水；另外根据巷道施工坡度变化再每一处“V”型巷道低点向外高于最低点底板1.2 m位置设置一处应急排水点，有2台排水能力合计不低于200 m3/h的排水泵。每台水泵使用倒链吊挂，当采空区积水流出夹带煤泥、碎石等杂物将水窝淤积，排水泵效率下降时，顺槽内高点的应急排水点排水双泵起到应急排水效果，为防范水害事故起到壁垒作用。

4.6 底板岩巷穿层钻孔超前疏放水

1）煤与瓦斯突出矿井备采工作面在沿煤层掘进巷道未施工前期，需按照设计优先施工底板瓦斯抽放岩石巷道来治理煤层瓦斯，从而达到消突目的，根据工作面这一设计情况，从水害防治角度充分发挥底板岩巷作用，在瓦斯抽放消突利用的基础上，使用探放水钻机对相邻已回采工作面上部积水区域施工穿层探放水钻孔[8]，而且进行针对性探放，岩巷施工探水钻孔不仅更安全，而且岩石钻孔能够充分防止塌孔堵孔，更保证放水效果，从而降低外部顺槽沿空掘进期间老空水水头高度和水头压力[9]。

2）工作面形成开始回采至工作面回采结束，期间底板岩巷已施工的探放水孔不但能够监测已放水老空位置是否存在二次积水[10]，一旦积水还能够发挥其持续疏放老空水的作用，防止二次积水对采煤工作面回采造成安全隐患。

图4 穿层放水孔剖面图

5 实施效果

1）通过该技术的实施，共施工了13轮探查钻孔施工，累计施工钻孔34个，钻探进尺1 809 m，疏放老空水量27 500 m3，确保巷道安全掘进1 155 m，消除了无煤柱沿空掘巷期间的水害威胁。

2）综合防治技术应用于矿井备采面上顺槽无煤柱沿空掘巷，确保巷道安全掘进1 155 m，根本上消除了老空积水对工作面安全生产带来的隐患，同时能多采出原采煤方法中顺槽与顺槽之间留设的安全煤柱3.31万t，统计该技术的成功实施在提高人员探放水作业安全系数、疏干老空积水、提高煤炭资源回收率方面作出一定贡献，技术实施后实现多回收煤炭3.31万t，直接经济效益1 747.68万元。

3）备采工作面顺槽掘进期间和工作面形成回采期间对老空水的稳定疏放，保证了巷道的快速掘进和工作面安全回采，解决矿井的采掘接替紧张创造了条件。

4）同时有效解决了采空区瓦斯及其他有害气体大量集聚可能突然溢出的问题。

6 结论

通过采取“沿煤层顶板掘进+无煤柱沿空掘进+V型巷道汇水硐室追排水+长、短钻孔验证”综合治理技术的成功实施，从根本上消除了老空水水害隐患。另外，该技术的成功应用，将会形成适合类似该矿井地质条件下，布置合理的沿空掘巷综采面的防治水管理技术参数提供依据，也为推动矿井“三沿”开采水害防治技术的发展提供了技术和经验的参考，将对矿井产生长远的经济和社会效益。