王躍東

(山西寧武大運華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

煤炭作為我國的支柱能源，對我國經(jīng)濟的發(fā)展具有絕對的推動作用。據(jù)研究表明，煤炭依然在未來很長一段時間占據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)的主導地位。一直以來，煤炭安全生產(chǎn)問題備受關注，制約煤炭安全生產(chǎn)的因素主要包括：綜采設備的安全性、工作面瓦斯?jié)舛?、工作面支護以及煤層防治水等。鑒于我國煤層地質(zhì)、水文條件的復雜性，使煤炭在開采過程中受到了多種水體的威脅[1]。經(jīng)統(tǒng)計可知，工作面由于突水事故所造成人員及經(jīng)濟損失位于各類因素所造成的直接經(jīng)濟損失。因此，需根據(jù)煤層地質(zhì)、水文等情況為其設計有效的防治水方案，為綜采工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎。

1 工程概述

本文以某C礦為研究對象，XX礦西部下組煤回風巷所掘3#煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復雜。其中，3#煤上分層厚度4.49 m～7.17 m，平均5.65 m；煤層上部夾石為0.10 m～4.3 m，平均2.5 m左右頁巖。3#煤層巷道的寬度為4 m。下分層煤層厚度2.40 m～3.50 m，平均2.95 m，下部夾0.2 m左右的頁巖或炭質(zhì)頁巖，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。

根據(jù)西部下組煤膠輪車巷瓦斯涌出量資料預測該工作面掘進期間瓦斯絕對涌出量為2 m3/min。工作面所屬采區(qū)及開采煤層無瓦斯動力現(xiàn)象，無煤與瓦斯突出現(xiàn)象。工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性，爆炸性指數(shù)為15.38%，自燃傾向性為Ⅱ級，屬自燃煤層。地溫為8 ℃～9 ℃。工作面局部壓力較大。

該工作面煤層頂板和底板情況如表1所示。

表1 工作面煤層頂板、底板情況

通過對該巷道的礦壓進行監(jiān)測得出：該巷道垂直方向的應力平均值為6.71 MPa，水平方向的應力平均值為7.47 MPa。

2 煤層開采防治水技術

該工作面的開采深度較大，且工作面煤層底板所承受的奧灰水壓較高，在實際開采過程中較大的突水風險。當前應用于工作面防治水的技術主要包括綜合物探技術、奧灰疏水降壓技術、充填開采技術以及底板注漿加固技術[2]。

2.1 綜合物探技術

綜合物探技術包括有瞬變電磁方法、音頻電穿透視法、直流電法以及電磁波坑透法[3]。其中，瞬變電磁探測原理圖如第81頁圖1所示。

基于瞬變電磁探測技術能夠?qū)崿F(xiàn)對巷道及工作面的超前探測，大大提升對工作面的探測范圍及探測效率，所以，其為當前應用于工作面防治水探測的主流技術。音頻電穿透視法主要應用于對底板、頂板富水范圍的及注漿防治水效果的探測。井下直流電法主要應用關于對工作面電性分層和水文地質(zhì)的研究。

圖1 瞬變電磁探測原理

2.2 奧灰疏水降壓技術

基于奧灰疏水降壓技術在工作面及其周邊開一定水量的放水孔，通過放水操作將工作面的奧灰水位降至安全水位以下。但是，奧灰水直接排除會污染地表水，因此采用此技術時常需要對所排出的水進行處理。因此，奧灰疏水降壓技術一般不被采用。

2.3 煤層底板注漿加固技術

煤層底板注漿加固技術是在開采之前向底板注漿，使得底板巖層中的縫隙被填充，從而提升煤層底板的隔水效果。目前，底板注漿加固技術已經(jīng)在很多煤礦中應用，并取得了良好的防治水效果和經(jīng)濟效益[4]。此外，應確保底板注漿技術的切實可行，需根據(jù)煤礦地質(zhì)水文條件確定加固深度和層位。

3 防治水方案設計

3.1 巷道掘進防治水方案設計

為了避免煤礦巷道掘進期間工作面的導水構(gòu)造和其他水體造成突水事故，在巷道掘進前需對倒水構(gòu)造進行探查，且探查的結(jié)構(gòu)為防止水工作的重點[4]。該階段的防治水工作的流程如圖2所示。

圖2 掘進階段防治水方案

如圖2所示，掘進期間防治水方案遵循先物探、后鉆探驗證的原則，并對發(fā)現(xiàn)異常的部位采用超前預注漿處理的措施進行防治水操作。其中，鉆探驗證為掘進期間的關鍵動作，該階段的鉆孔數(shù)量一般不少于兩個，且每個鉆孔的傾角應維持在-10°～-20°之間，每個鉆孔的探測距離不少于30 m。

此階段防治水方案主要是對孔口止水套管以及超前距等參數(shù)的確定。針對孔口之水套管長度，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》要求止水套管長度不得少于20 m；針對超前距的計算依據(jù)式(1)確定：

(1)

式中：H為超前距；k為安全系數(shù)，取k=5；L為煤層巷道的寬度，取L=4 m；P為工作面煤層所承受的水壓，取P=7.5 MPa；Kp為煤的抗拉強度，取=0.46 MPa。

經(jīng)計算得：H=26.45 m，圓整為27 m。

3.2 工作面開采防治水方案設計

工作面開采防治水方案包含有開采前和開采中防治水方案的設計。

3.2.1 工作面開采前防治水方案

待工作面掘進完成后，需依據(jù)圖3防治水工作流程對開采前工作面進行防治水操作。

圖3 工作面開采前防治水方案

如圖3所示，工作面開采前采用坑透、直流電法和瞬變電磁等綜合物探手段對其隱伏構(gòu)造、富水異常區(qū)域進行探查，采用鉆探手段對探查結(jié)果進行判斷，若存在異常則采用注漿加固的手段進行加固，并對加固效果進行檢驗[5]。

3.2.2 工作面開采中防治水方案

本節(jié)主要對煤層開采時鉆探驗證階段的安全套管和鉆機進行選型設計。所選安全套管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 安全套管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)煤層特點所選用的鉆機的參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機參數(shù)

4 結(jié)語

煤炭安全生產(chǎn)直接決定煤礦的產(chǎn)煤效率和作業(yè)人員的安全性。對于綜采設備的安全性而言，可通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及控制策略實現(xiàn)；對于工作面瓦斯?jié)舛榷?，可通過增設瓦斯監(jiān)測設備及優(yōu)化通風策略實現(xiàn)；對于突水事故而言，需根據(jù)煤層地質(zhì)水文特點設計基于先物探后鉆探驗證并配合注漿加固的手段實現(xiàn)對煤層工作面的防治水工作。