孤岛工作面综合防治水技术应用

李旭东

(山西煤炭运销集团 锦瑞煤业有限公司,山西 离石 033099)

煤矿井下采区回采工作面采用跳采方式,采面开采末期存在孤岛工作面,采面两侧甚至三侧均为采空区。孤岛工作面回采期间受邻近采空区瓦斯、水害、侧向应力等因素影响较为突出,制约煤炭安全回采[1-2]。在孤岛工作面回采巷道掘进及后续回采时,需结合现场情况有针对性地制定防治水技术措施,消除邻近采空区内积水对生产的影响[3-5]。本文以山西某矿12216孤岛工作面回采为工程背景,对现场使用的防治水技术方案进行分析,以期为其他矿井类似的孤岛工作面防治水工作提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

12216孤岛工作面东、西两侧分别为回采完毕的12212、12214工作面采空区,采面回采范围内水文地质条件简单,地质构造不发育。12216孤岛工作面设计走向长850 m,倾向宽220 m,采用综采工艺。采面范围内12号煤层赋存稳定,厚度均值为4.5 m,煤层倾角2°～8°,顶、底板岩性以泥岩、灰岩、粉砂岩为主。采面回采时主要涌水水源为顶板灰岩含水层,该含水层富水性较差,补给不充分。12212、12214工作面回采时均为仰采,采空区充填矸石控制顶板变形,矸石充填率为85%.12216孤岛工作面回采巷道掘进顺序为:运料巷—切眼—运输巷。

1.2 邻近采空区积水情况

12212、12214工作面分别于2020年、2021年回采完毕,采面回采结束及设备回撤完成后,均在采面回采巷道开口处施工密闭墙对采空区进行密闭,密闭墙位置均无渗水情况。12212工作面采空区底板最高处位于采面运输巷密闭墙位置(底板标高为+770 m);12214工作面采空区底板最大标高位于采面运料巷密闭墙位置(底板标高为+756 m);底板标高最低位置位于运料巷与切眼交汇位置(底板标高+665 m)。根据采空区分布情况及积水标高,预计12212采空区、12214采空区内积水量分别为2 344.6 m3、4 852.7 m3.具体采空区内积水情况如图1所示,图中阴影处为预计积水区范围。

图1 邻近采空区内积水

2 巷道掘进探放水

2.1 探放水线确定

12212采空区积水最高标高为+770 m,最低为+641 m,水压为1.29 MPa;12214采空区积水最高标高为+756 m,最低为+665 m,水压为0.91 MPa.结合采空区内积水赋存情况以及现场开采条件,确定隔水煤柱宽度,具体计算公式为[6-7]:

(1)

式中:L为隔水煤柱宽度,m;K为安全系数,取2～5,本次计算取2.5;M为巷高,取3.5 m;p为水压,12212采空区取1.29 MPa,12214采空区取0.91 MPa;Kp为12号抗拉强度,取0.21 MPa.

将上述参数带入公式(1)即可求得12212采空区隔水煤柱宽度为18.8 m,12214采空区隔水煤柱宽度为15.8 m.为确保巷道掘进安全,结合矿井防治水相关要求,将隔水煤柱宽度确定为30 m,即采空区积水线外推30 m作为探放水线。具体圈定位置如图1所示。

2.2 12212采空区疏排水

1) 12212采空区疏排水方案。在临近12212采空区的12216运料巷掘进时,当巷道掘进高度低于12212采空区积水标高(+770 m)1 m后,即停止掘进,并在巷道掘进迎头施工探放水钻孔。探放水钻孔施工完成后,记录钻孔出水量直至钻孔不出水,随后反复扫孔至钻孔不再出水或者孔内水压降至0.以疏排水后12212采空区新的积水高度为计算依据,并结合巷道底板坡度变化情况,确定探放水后巷道允许掘进距离。允许掘进距离可依据公式(2)计算[8]:

L=h/sinα

(2)

式中:L为疏排水后允许掘进距离,m;h为单次疏排水后采空区积水高度降低量,取0.5 m;α为巷道底板坡度,取9°～14°.将上述参数带入到公式(2)中即可求得L=2～3 m.

在巷道掘进时重复施工探放水钻孔,直至邻近的12212采空区内积水高度降至最低积水高度(标高+641 m)。此时在12212采空区内留设观测孔,实时掌握采空区内积水变化情况,并对积水进一步疏排。

2) 12212采空区疏排水效果。在12216运料巷掘进至12212采空区探放水线内后,每掘进2～3 m施工1组探放水钻孔,每组包含2个钻孔,钻孔间隔均为0.5 m,终孔均应深入到采空区。在12216运料巷掘进期间共计施工169 m疏排水钻孔,钻孔疏排完成后均使用黄泥堵孔,以减少瓦斯涌出量及巷道漏风量。在疏排水期间,对钻孔出水情况进行统计,共计疏排水量达到5 983 m3,钻孔实际疏排水量较预计采空区含水量大。通过疏排后,12216运料巷掘进期间围岩无渗水情况出现,有效解决了邻近12212采空区积水对巷道掘进及采面后续回采的影响。

2.3 12214采空区疏排水

1) 12214采空区疏排水方案。 在12216切眼掘进至12214采空区探水线位置后,施工探放水钻孔对12214采空区内积水进行疏排,具体布置如图2所示。

图2 12214采空区积水疏排

12214采空区内积水靠近12214切眼附近,为此,提出通过集中疏排方式对12214采空区内积水进行疏排,确保12216切眼及运输巷掘进安全。在12214切眼掘进至12214采空区探水线后停止掘进,在迎头下卧1 m确保下卧后底板标高降至+665 m,在底板上方0.5 m,1 m位置布置钻孔,对12214采空区内积水进行集中疏排。在12216切眼内共计布置5个钻孔,钻孔深度为50 m,并确保钻孔终孔位于12214采空区靠近底板位置。具体钻孔开孔布置情况见图2(b)。钻孔施工时先施工上排钻孔,后施工下排钻孔。具体施工顺序为:1-1—1-3—1-2;2-1—2-3—2-2.通过间隔施工可降低钻孔施工扰动,降低钻孔塌孔发生率。第一组钻孔、第二组钻孔与底板间距分别为0.8 m,1.5 m,钻孔仰角为2°～5°,其中1-1,2-1钻孔向采面侧有8°～10°偏角,1-2,2-2钻孔向采面侧有3°～5°偏角,1-3钻孔向采面侧有0°～1°偏角,以实现12216孤岛工作面附近12214采空区内积水疏排。

2) 12214采空区疏排水效果。先施工的1-1,1-3钻孔进入到12214采空区后钻孔出水量稳定在40 m3/h,为进一步增大钻孔疏排水量,后续开始施工1-2及下部的2-1,2-2钻孔。钻孔施工完成后,排水量达到150 m3/h,对疏排水钻孔排水量进行监测,钻孔疏排期间共计排放7 950 m3积水,疏排水量较预计的12214采空区含水量大。主要是由于12214切眼疏排水钻孔布置位置为12214采空区积水区最低处,布置的钻孔可实现采空区积水全部疏排;12214采空区可能与邻近的12210采空区间存在水力联系通道,从而导致部分积水涌入到12214采空区内。

在12216切眼布置钻孔对12214采空区积水进行集中疏排后,12216切眼及运输巷在12214采空区探放水线内掘进时围岩未出现淋水甚至渗水情况,同时后续布置的探放水钻孔大部分未出水,少部分钻孔出水量均在0.5 m3/h以内。表明实现了12214采空区集中疏排。

3 结 语

根据12216孤岛工作面回采区域现场地质条件和邻近采空区积水情况,结合理论分析及矿井防治水相关规定,确定采面回采巷道掘进时的探放水线。在靠近12212采空区的12216运料巷掘进至探放水线时,每掘进2～3 m布置1组探放水钻孔,对12212采空区积水进行疏排。在12216切眼掘进时,由于12214采空区内积水最低处靠近12216切眼位置,提出通过集中疏排方式疏排12214采空区积水,确保积水高度位于12216切眼及运输巷标高以下位置。

对12212及12214采空区内积水进行疏排后,12216孤岛工作面回采巷道、切眼掘进时围岩未出现淋水、渗水等问题,采面后续回采期间也未受到邻近采空区内积水影响,表明现场使用的防治水技术措施取得了较好效果。