浅谈综采放顶煤采空区积水探放技术

摘要：充分分析采场的水文地质条件、合理确定采空区积水量的计算参数，精确计算出采空区的积水量和积水压力，有针对性地编制探放水安全技术措施。综采放顶煤工作面，采后形成的采空区老塘被浮煤充填，其积水界面较高，自由水体集中在冒落带。探放老空水钻孔终孔位置应打中冒落带。

关键词：采空区积水量计算 三软煤层 套管钻进 放水技术

前言：

众所周知，煤矿采空区突水具有突发性、水量大、破坏性强等特点，极易造成淹面和伤人的重大水害事故。例如，05年全国煤矿共发生水害事故106起，死亡598人。其中10人以上事故13起，死亡357人。 分别占全国煤矿特大事故起数、死亡人数的22.4%和20.7%。06年全国煤矿发生重特大水害事故40起、死亡213人，分别上升14.3%和28.3%。特别是山西省连续发生两起特大和特别重大透水事故：06年3月18日，吕梁市临县胜利煤焦有限公司樊家山井发生一起特大透水事故，死亡28人；5月18日，大同市左云县张家场乡新井煤矿又发生一起特别重大透水事故，死亡56人。因此，加强煤矿防治水和采空区积水的预测预报、科学组织采空区积水的探放工作极为重要。

采空区充水的机理很多，充水水源是多渠道的。只有充分分析采场的水文地质条件、合理确定积水量的计算参数，才能准确计算出采空区的积水量和积水压力，从而才能有针对性地编制探放水措施。本文以涡北煤矿为例，浅析综采放顶煤工作面采后形成的采空区，其积水量计算参数的确定方法及老空水探放技术。

1 工作面概况

涡北煤矿是2007年5月投产的新矿，首采8102工作面，主采二迭系下石盒子组的8煤组。本面8煤组包含8-1煤和8-2煤

两个分层。8-1煤厚2.0～5.5米平均4.27米；8-2煤厚1.4～6.0米，平均3.0米。81、82煤之间有一层厚0.8～2.0米的夹矸，平均厚1.54米，岩性为泥岩、粉砂质泥岩。该面回采走向长730米，倾向斜长110米。工作面里低外高，机巷外段最高处底板标高为-564.3m，里段最低处底板标高为-587.9m（切眼下口），机巷里外净高差23.6m。整个工作面系统只有机巷、风巷和切眼，无轨道巷或放水巷。8102工作面于2007年月1月开始回采，2008年2月收作。采煤工艺为综采放顶煤，即采8-2煤放8-1煤。

8103工作面风巷设计从8103腰巷拨门，垂直8102机巷上山施工30米联巷后，与8102工作面之间留设6米煤柱沿空送巷。联巷施工层位从8-1煤穿层到8-2煤，上山角度5～7°。8102采空区有大量积水，直接威胁8103联巷和风巷的施工安全。

如图1：

如图1 8103风巷设计布置图

2 采空区积水量计算分析

采空区积水量一般用下式计算

Q=KSM/cosα

式中：Q—采空区积水量

M—工作面采高

S—采空区淹没面积

α—煤层倾角

K—充水系数

M、α为固定值，计算时可以根据实际资料直接使用，但S与K的值确定比较困难。

2.1采空区淹没面积（S）的预测

采空区淹没面积（S）的大小与采空区充水时间、充水水源的富水情况密切相关，当采场有充足的充水水源、采空区有充足的充水时间，采空区积水无自流排泄条件时，采空区淹没面积会缓慢增大，积水标高会缓慢上升，直至漫过下顺槽封闭墙以里最高点时，积水才会从封闭墙导流管溢出。

本矿8102工作面于08年2月收作，8103联巷于08年3月初施工至距采空区边缘20米处。从时间上分析，8102采空区充水时间较短，积水区上限尚未达到8102机巷外段封闭导流管口的标高，因此封闭墙导流管无水溢出。理论上，采空区淹没面积（S）小于封闭墙处煤层底板标高线与里段机巷和切眼围成范围。现以采空区积水区接近外口封闭墙底板标高来计算积水量，从煤层底等高线图上可以直接量出老空积水区的理论最大范围S=17682m2。

2.2充水系数（K）的取值

《煤矿安全规程》给出K的取值范围为0.25～0.5。然而在实际操作中，K的取值要根据情况而定。K值的大小与采煤方法、回采率、层倾角、顶底板岩性及冒落带岩石的碎胀度等因素有关。这些因素又往往直接表现在地表下沉上。地表下沉的原因有多种，除采动影响外，松散层或岩溶含水层过量排水都会引起不同程度的地表下沉。在没有其它因素影响情况下，采动影响引起地表下沉与采空区充水系数有下列关系：

K=1-H/M

式中： H--地表下沉量

M—工作面采高

K--充水系数

上式适用条件：（1）在采动后地表充分沉降、岩移达到稳定时； （2）煤层上覆岩层为易垮落的中等稳定以下的岩层；（3）采空区周边没有大量的煤柱。

很显然，上式不适合8102工作面的特点。8102工作面为矿井首采面，周边没有采动；煤层直接顶、老顶为细至中粒砂岩的坚硬顶板；地表观测站观测资料显示，地表未充分下沉。

用比拟法确定K的取值：本矿井与临涣煤矿、任楼煤矿、祁南煤矿比较，地质和水文地质条件属于同一类型，同一煤层（组）大多回采工作面的矿床充水方式、充水水源、边界条件相似。结合上述几个矿的老塘水探放的实际资料，通过认真细致的分析对比，用比拟法确定本矿8102采空区充水系数（K）的取值为0.3比较接近实际。

2.3 采空区积水量计算结果

采空区积水量计算公式：

Q =KSM/cosα

K取0.3

S取17682 m2

M取平均采放高度和7.0m

α取煤层平均倾角17°

计算采空区理论最大积水量：

Q =0.3×17682m2×7m／cos17°=38829m3

3 探放老空区积水方案

8103联巷和风巷在掘进过程中受到老空水的威胁，一旦发生突水，将会造成重大的安全事故。在受水威胁的地区，必须坚持“有疑必探，行探后掘”的原则，做到隐患不消除不生产。因此，联巷上山施工至积水区边界20米处必需停头打钻放水。

3.1探放水难点分析

（1）首次探放水地点在上山施工的煤巷内，巷道必需提前20米停头打钻。在煤层内长距离钻进，难度大。

（2）积水区理论最大上限标高为-564.3m，首次探放水孔口标高为-575.5m，即放水点孔口标高与积水上限标高差为11.2米，水压大于1kg。原则上在上山煤巷探放水压大于1kg的水体必需预先固定套管，孔口要安装控水装置。

（3）钻孔施工层位为8煤组，该煤组坚固性系数为0.25，为粉沫状；探放水孔在水流冲刷浸泡下，易塌孔、堵孔，疏通较困难，安全性差。

（4）由于地压较大，又受采动影响，地应力比较集中，钻进过程中易发生夹钻、卡钻，造成废孔，因此需选用功率较大的钻机。动用大型钻机，准备工作复杂，对生产影响较大。

（5）综采放顶煤工作面，机巷以上3至5架不放煤，工作面推进后3～5米厚的8-1煤连同1米多厚的泥岩夹矸落入老塘，浮煤被水浸泡后成糊状，极易堵孔。老塘内自由水体下界面在老机巷顶部1～2米以上。由于煤层自然倾角较大，03风巷标高始终比02机巷标高低4～5米，也就是说，只要老塘有积水，积水区下限就要比03风巷棚顶高出4～5米。积水区始终悬在掘进工作面头顶上。掘进施工中一旦发生冒顶，极易导通老塘水，造成人员伤亡事故。

3.2 探水孔方案的选定

认真分析计算了采空区积水量和积水压力后，充分考虑上述诸多难点，有针对性编制探放水安全技术措施。探放老空水，探水孔应成组布设，并在平面图上呈扇形；钻孔终孔位置以满足平距3米为准，厚煤层内各孔的终孔垂距不得超过1.5米。平面上先中间，后两翼；垂向上先打水体上部，后打下部。上山煤巷探放老空水，开钻前掘进头要打上坚固的立柱和挡板，防止掘进头被水冲开。

针对煤层松软问题，在联巷长距离打探水孔时先用φ108mm刮刀钻头小压力匀速钻进，减少钻机震动造成塌孔。

钻进10米后退钻，下φ91mm套管，用水泥浆固结套管，24小时后待水泥凝固，做耐压试验，试验压力不小于水压的1.5倍，安装孔口闸阀；改用φ73mm刮刀钻头扫孔至孔底，换φ73mm套管带φ73mm取芯钻头钻至进入水体2～5米时，停钻卸掉钻杆和孔口闸阀，截去φ73mm套管多余的部分，重新安装好孔口闸阀。因控水套管固结在煤体中，为防止煤体松动，可用铁丝或金属卡子将套管固定在立柱或地锚上。因是用取芯钻头钻进，套管内会有岩芯碎块堵水，这时可用风钻带接杆螺纹钻杆扫孔，直至放水通畅。

针对综采放顶煤工作面形成的采空区，老塘内有大量浮煤难以成孔问题，可将钻孔角度适当调大，打中浮煤顶部冒落带。砂岩顶板冒落带透水性强，不易堵孔，放水效果好。

针对03风巷施工中左上方老塘积水区下界面始终比掘进工作面高出4～5米的问题，采取超前15～20米施工放水孔，提前疏干积水，降低水头高度。如图3：

图3

每期放水结束，均要施工验证孔。验证孔可用风动钻机带螺纹钻杆施工，施工方便、灵活、速度快，对生产影响较小。证实前方自由水体疏干后，掘进方可继续施工至下一放水点。

4 疏放效果

03腰巷和03风巷施工过程中，先后组织七次放水钻探工程，利用大型钻机施工放水孔二十七个；利用风钻施工验证孔二十余个。已放出采空区积水27650m3；剩余1万余方积水中，预计有6000m3自由水，很快将被放出；约5000m3浮煤孔隙水会以渗透方式流向低洼处，待8103工作面回采前进行补放。

结论

（1）矿井首采工作面回采后，因周边未采动，在短时间内地表不能充分沉降，不能直接套用公式计算充水系数。

（2）合理圈出积水区范围，精确计算采空区积水量，有针性地编制探放水安全技术措施。

（3）原则上应避免上山煤巷透入或接近水体。应避免在上山煤巷内探放水压大于1kg的水体。

（4）用取芯钻头带套管钻进，可合套管直接埋入钻孔内，避免了重复下套管造成塌孔。

（5）综采放顶煤工作面采后形成的采空区，老塘内有大量浮煤，实行老塘水无压探放，难度较大。

（6）综采工作面设计尽量做到合理布局，优化设计。避免造成采空区大量积水。

参考文献：

[1]何国清，凌赓娣，杨伦等《矿山开采沉降学》.徐州：中国矿业大学出版社.

[2]《煤矿安全手册》.北京：煤炭工业出版社.

[3]韩东亚，矿井防治水实践