趙 通

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤礦水災是造成煤礦人身財產損失的原因之一，發(fā)生煤礦水災時，其應急救援非常困難，也會對煤礦造成很大程度的破壞。尤其在水源較為豐富的地方，發(fā)生水災可能直接導致礦井淹沒[1-2]。而水災過后，井下生產機械設備基本全部報廢，并且難以開展排水修巷等工作。因此，針對煤礦水災的預前處理、防治[3-4]有非常重要的意義。

四老溝煤礦C3-5#層8102工作面上部存有老空區(qū)積水，若開采時不對上部老空區(qū)存在的積水進行處理，就易產生煤礦水災事故的問題。根據(jù)8102工作面所測的上部老空區(qū)積水的積水儲藏量以及其工作面上部相關巖層厚度的具體參數(shù)，通過理論分析計算出掘進期間的防隔水煤柱、巖柱和回采期間的防隔水煤柱或巖柱厚度，從而為掘進或回采前期探放水提供相關參考參數(shù)；對此次探放水選擇了物探、化探、鉆探三者相結合的方式，確定了具體的施工參數(shù)，并通過實際排水，解除了四老溝煤礦C3-5#層8102工作面的水災隱患。

1 工程地質概況

1.1 地質概況

C3-5#層8102工作面5102巷及其繞道井下位于3-5#層主運大巷北部，工作面東部為四老溝煤礦與白洞煤礦礦界，北部、西部未開拓。C3-5#層8102工作面5102巷走向長735 m。該工作面同層東部與白洞煤礦相鄰，南部是四老溝煤礦3條盤區(qū)大巷，西、北兩面無采掘情況。對應上覆的4#、8#、11#層存有一定的采空區(qū)積水，積水量約為5萬m3。8102工作面整體為一單斜構造，整體南部較高，東部較低。該工作面部分位于火成巖侵入范圍內，工作面高差為50 m左右。該工作面東部79 m有F4斷層，H=10 m，∠69°。預計工作面內將有F4斷層出現(xiàn)以及陷落柱其衍生的小斷層。在工作面西部190 m處有一陷落柱。

1.2 水患分析

根據(jù)該工作面周邊積水和構造情況分析，水害隱患主要為東部白洞煤礦上覆侏羅系4#、8#、11#層采空區(qū)積水和斷層區(qū)域，易發(fā)生水害事故。該工作面上覆4#煤層主要為402盤區(qū)8201、8202、8203、8204、8205、8206、8207、8208、8209、8210工作面采空區(qū)，層間距約410 m，8#層盤區(qū)巷，11#層輔301盤區(qū)81002、81004、81006、81008、81010、81012工作面?，F(xiàn)估計上覆存有約5萬m3積水，在掘進施工過程中需要施工探頂孔，且在工作面進行回采工作前應對上覆采空區(qū)進行相關的探放水分析研究，進行采空區(qū)積水探放。

2 隔水煤(巖)柱的厚度理論分析

理論計算的防隔水煤柱、巖柱[5-6]分為掘進期間的防隔水煤柱、巖柱和回采期間的防隔水巖柱。掘進期間的防隔水煤柱、巖柱又分為掘進前方預留的防隔水煤柱和可能存在的上覆積水層底板至掘進工作面頂板之間的防隔水巖柱。回采期間的防隔水巖柱主要為回采工作面頂板至可能存在的上覆積水層底板之間的防隔水巖柱。

2.1 掘進期間同層積水隔水煤柱的厚度理論計算

斷層含水或導水時，隔防水煤柱、巖柱公式為

(1)

式中：L—煤柱留設的寬度，m；K—安全系數(shù)(一般取2～5)；M—煤層厚度或采高，m；P—水頭壓力，MPa；KP—煤的抗拉強度，MPa。根據(jù)C3-5#層8102工作面地質條件，安全系數(shù)K為5，煤層的厚度M為12 m，水頭壓力P為0.1 MPa，煤的抗拉強度Kp為1.0 MPa。經計算，3-5#層安全隔水煤柱厚度理論值為16 m。

2.2 掘進期間上覆積水防隔水巖柱厚度計算

3-5#層掘進時頂板隔水巖柱按《煤礦防治水規(guī)定》要求必須大于掘進高度的10倍，則防隔水煤巖柱要求高度為

H>12×10=120 m

據(jù)計算值，因3-5#層和上覆最近的11#層層間距為300 m左右，大于120 m，但3-5#層和上覆11#層之間有較大量的采空區(qū)積水，故在掘進時需施工探頂孔。

2.3 回采期間上覆積水防隔水巖柱厚度計算

回采時頂板隔水巖柱高度必須大于頂板導水裂隙帶高度以及與保護層厚度之和。頂板隔水巖柱高度應為

H>HL+HB

(2)

式中：HL—頂板導水裂隙帶高度，m；HB—保護層厚度，m。

再根據(jù)“三下”采煤理論公式

(3)

式中：HL—頂板導水裂隙帶高度，m；∑M—開采層累計采厚，3-5#層因只開采一層煤，故取采厚為12 m。計算得HL為113.9 m。

計算保護層厚度

HB=7A

(4)

式中：HB—保護層厚度，m；A—采高，取12 m。計算得HB為84 m。

所以3-5#層回采時頂板隔水巖柱高度理論計算值為

H>HL+HB=113.9+84=197.9 m

因3-5#層和上覆11#層層間距約為300 m，大于計算值。但為確保安全，3-5#層8102工作面回采前(兩順槽掘進時)必須編制專項探放水設計，對上覆區(qū)域可能存在的積水予以探放。

3 探放水設計及實踐

掘進期間應該物探、化探與鉆探相結合[7-9]，先進行物探與化探，再進行鉆探。具體要求是必須在掘進端頭先進行物探，如巷道內掘進端頭有淋水，必須及時進行水質化驗。根據(jù)物探和水質化驗綜合分析結果，科學合理地布置鉆探孔，對前方、上方及左右兩方進行鉆探驗證。

3.1 井下物探

施工設計：采用瞬變電磁法進行超前探測時，共布置橫向探測方向13個，其可分為左幫巷道面(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)右側幫巷道面(0°、15°、30°、45°、60°、75°)。橫向探測的每個方向總共設置3個縱向不同探測角度，在與巷道頂板成45°夾角情況下，對巷道前方頂板進行探測；在沿著巖層方向情況下，向其前方直接進行探測；在與巷道底板成45°夾角情況下，對巷道前方底板進行探測；13個水平不同探測方向總計39個不同測點數(shù)據(jù)。所有異常區(qū)角度以設計探測角度為準。

現(xiàn)場施工布置：現(xiàn)場施工布置按照施工設計進行，從180°開始，間隔15°，一直到0°結束。分13個水平探測方向，收集總計39個不同測點數(shù)據(jù)。

結論分析：每次物探有效探測距離為100 m。根據(jù)探測數(shù)據(jù)，對前方地質及水文地質情況進行分析，如無低阻異常區(qū)，在鉆探驗證的基礎上可向前掘進80 m，留設20 m安全距離。

3.2 超前鉆探

鉆孔布置：物探無異常情況下，探放水孔每組1個孔。1#孔在工作面迎頭正中處，沿巷道掘進方向，長度60 m，仰角按煤層傾角，物探異常時，探放水孔每組3個孔。其中1#孔在工作面迎頭正中處，沿巷道掘進方向，長度60 m，仰角按煤層傾角；2#孔在1#孔右邊間距1 m，與1#孔夾角依次為15°，孔深60 m；3#孔以1#孔為軸，與2#孔對稱分布。沿巷道掘進方向，長度60 m，仰角按煤層傾角，超前距必須保證30 m。

注意事項：開孔至終孔孔徑為57 mm直至終孔，每個探放水鉆孔都必須按給定位置、方位，傾角施工，也可根據(jù)施工地點實際情況在前后0.3 m內調整，但必須同時調整方位、傾角確保終孔位置不變。在鉆具接近終孔位置時，要密切注意孔內返水量及鉆具的變化，發(fā)現(xiàn)異常，立即停鉆檢查，旋緊鉆桿向調度室匯報。

3.3 實踐效果

排水方法：采用37 kW潛水泵2臺，其他為小功率潛水泵。臨時水倉設置在巷道地勢低的位置，規(guī)格為4 m×2 m×1.5 m。排水管路φ108 mm，長度6 m/根，材質為PE管，排水管路在每個臨時水倉處要安設三通和逆止閥。

實踐效果：在C3-5#層8102工作面兩順槽掘進期間，根據(jù)此探放水設計施工參數(shù)做了具體的施工，對老空區(qū)所存積水采用了探放水技術處理，及時解決了可能發(fā)生的水災事故，確保了煤礦的人身安全與生產安全。

4 結論

(1)進行水患分析后，確定了可能導致水患的老空區(qū)積水及其含量，明確了進行探放水的重要性。

(2)通過理論計算，得到了掘進期間同層積水隔水煤柱厚度與上覆積水防隔水巖柱厚度、回采期間上覆積水防隔水巖柱厚度，根據(jù)其值進一步確定了進行探放水的必要性。

(3)提出了物探、化探、鉆探相結合的探放水水災預治理方案，同時確定了相關的施工參數(shù)，在C3-5#層8102工作面進行了實際工程應用，及時解決了水災隱患，確保了煤礦能夠安全生產。