動水給付條件下沿空掘巷探放技術研究

中國煤炭資源豐富，礦源地質條件復雜。這是影響礦山洪水最嚴重的國家之一。在眾多水害事故中,老空水水害所占比例較大,極易造成淹頭、淹面事故,嚴重威脅礦井生產。目前,老空水防治主要是采取留設防水煤柱或者探放老空水的措施,而留設防水煤柱會造成大量煤炭資源浪費,為提高煤炭采出率,沿空掘巷探放水技術越來越受到煤礦企業的重視。鄭煤集團裴溝煤礦已開采30余年,隨著礦井的延伸,生產接替緊張問題日益突出。為此,礦方實行了“剃頭式”開采,但這一開采方式造成現有采掘工作面受上部采空區積水威脅。為保證工作面的安全生產,需在下部工作面留設20m以上的防水煤柱,由于受到上部采空區礦山壓力影響,防水煤柱支護較為困難,同時造成了大量煤炭資源的浪費。因此裴溝煤礦現設計的工作面回風巷一般布置在上階段采后的卸壓區,留設3~5m的窄煤柱,即沿空掘巷,不但減輕了礦山壓力對煤柱影響,而且提高了煤炭采出率,同時又可緩解采掘接替緊張的問題。32031掘進工作面探放水工作從2006年7月開始,采空區存有一定量的積水,且有動態水補給,經過一段時間的探放水后發現動水補給量在8~20m3/h。在該條件下如何實現巷道安全掘進并保證不再發生采空區重新聚水現象,成為裴溝煤礦乃至鄭煤集團公司急需解決的技術難題。因此,本文在充分考慮32031掘進工作面水文地質條件基礎上,對動水條件下沿空掘巷探放水技術進行研究,以保證巷道的安全掘進和如期貫通。1項目總結1.13采空區煤層賦存特征裴溝煤礦32031掘進工作面位于楊河井田西翼-300m水平32采區,北鄰32011綜放工作面采空區,南鄰32051綜放工作面采空區,西至32膠帶下山,切巷位于32膠帶下山東1638m處。在工作面內部西段有32031炮采工作面采空區。工作面走向長1300m,傾斜長146m,煤層厚度變化較大,平均7m。發育煤系地層主要有二1煤直接頂板泥巖及砂質泥巖,基本頂中粒砂巖;二1煤直接底板泥巖及砂質泥巖,基本底L7-8灰巖。主要充水含水層為煤層頂板砂巖含水層,煤層底板L7-8灰巖含水層;隔水層為二1煤直接頂板泥巖及砂質泥巖,厚度8.5m,二1煤直接底板泥巖及砂質泥巖。1.2工作面采空區排水能力32031掘進工作面上部已回采32001炮采、32001綜采、32003炮采、32011(上、下)炮采、32011綜采等7個工作面,32003綜采工作面正在回采,以上工作面回采過程中均未受上部采空區水威脅。根據對7個工作面采掘時出水情況分析,圈定積水采空區面積42460m2,巷道掘進前32011綜采工作面采空區出水量約為5m3/h,因此采空區內存在動水補給,采空區富水系數取10%,預計采空區積水量為36091m3;采空區積水外緣標高不超過32011(下)炮采工作面回風巷,最大水壓為0.38MPa。根據以上分析結果,32031掘進工作面回風巷掘進將受32011采空區積水的威脅,存在老空水突出危險。2掘進工作面鉆孔為有效探放采空區積水,在32031掘進工作面回風巷布置探放水鉆場,共布置47站,施工過程中要根據實際條件對鉆孔方位及鉆孔個數進行調節,技術要求如下。(1)鉆孔布置。第1站探放水鉆孔從32011(下炮)工作面終采線開始施工,此后,根據煤層傾角,每掘進15~20m開始施工下一站的鉆孔,直至確認掘進不受采空區積水威脅時,方可結束探放水工作。(2)鉆孔參數。每站設計鉆孔方位3~4個,每個方位布置鉆孔2~3個(根據鉆孔所在位置實際條件進行調整),鉆孔開口位置距底板1.0~1.5m,鉆孔在平面內呈扇形布置,相鄰鉆孔間夾角15°,鉆孔傾角按煤層傾角鉆設。鉆孔開孔直徑75mm(下套管),終孔直徑50mm。鉆孔設計深度60~80m(平距),根據探放水過程中實際觀測到的水壓情況,參照《煤礦防治水工作條例》中的有關規定,保持不少于20m的超前距。(3)鉆探設備選擇。根據32031掘進工作面回風巷地質條件,結合礦方現有鉆探設備,在保證探放水效果前提下,確定采用150型或200型全液壓鉆機施工,鉆桿規格為ue07e50mm。(4)其他。下好ue07e75mm套管,長度不少于6m,必要時可加長套管(采用二級結構),裝上水閘門,套管周圍纏上一定厚度的麻線,保證套管插入煤孔后能緊密接觸煤體,并用鐵絲將套管口牢牢固定在立柱上。鉆進過程中,若出現掉鉆、卡鉆或其他異常情況導致該孔報廢時,必須重新補孔。3探水面及排水系統清挖(1)32031回風巷探放水水路由回風巷臨時排水陣地排至32003流水巷進入-200m水倉,水路采用400mm×400mm木制水槽,水槽要求制作嚴密,確保不出現漏水現象,每次探水前掘進隊在掘進面外5m挖沉淀池,沉淀池規格2m×1m×1m。沉淀池及排水溝清挖工作派專人負責。(2)探放水過程中水流經過的巷道坡度大于5°時,支架必須全部用鋼絲繩或拉桿連鎖加固,巷道不跟底部分用裝煤編織袋鋪底,中間低,兩邊高;同時將探放水水路經過的巷道“交叉”點及“丁字口”處巷底柱窩進行澆灌及連鎖加固,澆灌長度5m,厚度200mm,采用剛性連鎖,長度5m。在32003流水巷與32031回風巷交岔口西5m,32031中聯巷上口處用裝煤編織袋壘1道堰,高0.5m、寬1.0m,并準備100個裝煤編織袋備用,以防水流向32膠帶下山。(3)探放水施工過程中打鉆用水及鉆孔出水流入-200m水倉,由指定部門負責-200m泵房排水系統的維護工作,保證排水設備正常運行。4采空區內排水系統探放水工作從2006年7月5日開始至2008年2月8日結束,比原預計時間提前30d貫通。探放水過程中鉆孔最大出水量35m3/h,在恢復掘進的安全距離內未發生透水事故,有效消除了老空水害威脅,回風巷安全掘進直至貫通。32031工作面共布置鉆場47站,施工鉆孔257個,總進尺15791m,共放出采空區水量約152700m3,除去動水補給量114550m3,放出老空積水量38150m3,超出預計積水量36091m3,表明之前的預計有誤差,同時也可以認為采空區積水已經放凈。由于采空區水疏放后采空區空隙在礦壓作用下部分已閉合,采空區內部分動水補給點也隨之閉合,因此目前回風巷采空區水正常疏放量剩余8m3/h左右。回風巷外段前8回次施工的鉆孔大部分為無水或淋水,表明32011(下炮)工作面采空區及32011(綜)工作面終采線附近沒有大量的采空區積水,只是在局部未塌實的采空區內存在有少量的空隙積水。外段第9—29回次施工的鉆孔均有一定量的采空區涌水,表明采空區內積水區平面位置主要分布在32011(綜)采空區膠帶運輸巷往北5m范圍內,垂向上位于采空區底部1m以上至原煤層頂板之間,鉆孔實測水壓0.07MPa左右,小于0.01MPa,采空區內有一定的補給水源,由東向西補給,補給水量8~20m3/h(根據裴溝礦探放水經驗,在疏放和礦壓的共同影響下水量會有逐步減小的趨勢),其徑流主通道也位于采空區運輸巷附近。回風巷里段共布置鉆場11站,少數鉆孔有淋水現象,表明在采空區東部沒有大量采空區積水,僅存在采空區空隙水。5探放探放,工作面開放系統32031掘進面回風巷沿空掘進探放水工作在有動態水補給條件下取得成功,為裴溝煤礦乃至鄭煤集團相似條件下的探放水工作提供了技術依據。(1)32031工作面探放水工作投入資金總計6.5萬元,探放水后,工作面提前30d貫通,為后期裴溝煤礦各項經營指標的完成創造了條件。探放水成功后,預計多采出原煤28.737萬t,可以實現凈利潤5029萬元,投入產出比高達1∶85.9。(2)32031掘進工作面回風巷沿空掘進探放水工作的成功,有效延長了工作面回采時間及采區服務年限,極大地緩解了采區接替緊張的局面,保護了珍貴的煤炭資源,取得顯著的技術效益和經濟效益。6動水補給量及最大水壓(1)根據32031工作面水文地質條件分析,預計積水采空區面積42460m2,采空區積水量36091m3