云冈煤矿老空水探放工艺分析研究

王 岩

（晋能控股煤业集团云冈矿，山西 大同 037000）

通过对老空水的探放，消除老空水害对采掘工作面的威胁，合理简单的探放水方法对煤矿提高经济效益和安全生产具有重要意义。

1 矿井及盘区水文地质条件

云冈井田内主要含水层有4 个，分别为寒武系石灰岩含水层、侏罗系中统云冈组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统大同组砂岩裂隙含水层、第四系冲积——洪积层含水层[1]。

寒武系石灰岩含水层：根据《云冈矿水文地质类型划分报告》解释，寒武灰岩岩溶裂隙不发育，含水性微弱，寒武系岩溶水水位标高800～810 m，与12#煤层间距约120 m，无直接导水通道，12#煤层不受寒武系岩溶裂隙水影响，不存在带压开采。侏罗系中统大同组、云冈组砂岩裂隙含水层：根据《云冈矿水文地质类型划分报告》解释，侏罗系中统大同组、云冈组砂岩裂隙含水层富水性弱，且经过数十年的煤矿开采，含水层地下水被疏排严重，不会对12#煤层开采造成影响。

12#煤层距上覆8#煤层间距平均为43.24 m，距上覆7#煤层间距平均为73.83 m，距上覆3#煤层间距平均为117.43 m。根据矿井水文地质条件分析，矿井406盘区上覆各层采空区间存在水力联系，由上覆煤层底板等高线分析，该区域整体北高南低，上覆各层采空区积水通过塌落、裂隙带等可导入12#层406盘区采空区内。

2 采空区积水分析

2.1 8611工作面及南部8613工作面分析

12#煤层406 盘区8611 工作面倾向长707 m、走向长140 m，采用综合机械化倾向长壁全部垮落采煤法，工作面南北布置，北高南低，平均煤厚为4.75 m，标高范围为980～945 m，落差35 m，工作面为2007年回采。

12#煤层406 盘区8613 工作面走向长1 138 m、倾向长149.5 m，采用综合机械化倾向长壁全部垮落采煤法，工作面东西布置，北高南低，平均煤厚为6.52 m，标高范围为945～925 m，落差20 m，工作面为2009 年回采。8613 工作面上部未被开采破坏，经物探、钻探未发现工作面存在积水情况，因8613工作面整体东低西高，故8611采空区积水排放至8613采空区后，具有一定的储水空间。

2.2 8611工作面采空区积水情况

1）积水范围的确定

8611 工作面上覆8#层西部为406 轨、406 皮、506回3 条盘区巷道，北部为406-1 轨、406-1 皮、506-1 回3 条盘区巷道，层间距约43 m；上覆7#层西部为矿井408 盘区巷道，东部为8803 采空区，层间距约74 m；上覆3#层为8801（1994 年采完）、8803（1995 年采完）、8805（1995 年采完）、8807（1996 年采完），各工作面均采用走向长臂采煤法进行回采，层间距约117 m；该工作面东北部存在灵丘通盛煤矿（2007年关闭），通盛煤矿批采煤层为2#、3#、7#层煤。通过矿井的实测数据，12#煤层裂隙带发育高度为86.2 m，根据煤层底板等高线和回采情况，通过地面瞬变电磁法、井下瞬变电磁法预测，预计8611采空区内存在积水。8611工作面经探水钻孔测得水压为0.3 MPa，估算其积水标高为980 m，最大积水面积10.3 万m2。探放水钻孔布置平面图见图1。

2）积水量的确定

老空区积水计算：

式中：Q积为积水区总积水量，m3；∑Q采为采空区积水量之和，m3；∑Q掘为采空区各巷道积水量之和，m3；K为充水系数，取0.26；S为采空区面积，m2；H为采高，m；a为煤层倾角，°；S断为积水巷道断面，m2；L为巷道长度，m。

采空区回采高度4.75 m，充填系数取0.26，经计算，最大积水量为12.7万m3。

3 探放水钻孔布置

1）8637工作面切眼掘进至距2611巷30 m处停止掘进，在距2611 巷34 m 处巷道南帮施工一个规格为4 m×4 m的钻场，由探放水队施工两组钻孔进行探放水工作，钻孔参数如下：

第一组：探8611钻孔，方位96°，倾角0°，预计34 m沟通8611老空区；探8613钻孔，方位137°，倾角-3°，预计70 m沟通8613老空区。

第二组：探8611 钻孔，方位96°，倾角-7°，预计34 m沟通8611老空区；探8613钻孔，方位137°，倾角-3°，预计70 m沟通8613老空区。

排水系统：通过向同层8611采空区施工两个放水孔，向同层8615采空区施工两个排水孔，两两对接，将8611 采空区积水通过自流排放至同层相对较低的8615 采空区内（地质科负责日常水量观测、汇总及分析工作）。

2）探放水钻孔施工及单孔结构

开孔以57 mm 孔径钻进，在钻进到终孔前10.0 m时，换用108 mm 钻头进行扩孔，扩孔长度5.0 m，用于安设止水套管。由专门配备的TUX-75 型钻机（钻杆直径75 mm）进行施工[2]。

3）钻进要求

钻孔开口处5 m必须用108 mm钻头进行扩孔，以安装孔口安全套管，并安设闸门，安设牢固后，要进行安全套管的耐压试验，合格后方可钻进，并经常检查。

4）单孔放水量Q计算

式中：C为流量系数，取0.6；S为钻孔断面积，m2；g为重力加速度，9.8 m/s；h为钻孔出口处的水头高度，m。

放水孔采用直径75 mm 钻孔施工，水头高度0.25 m，经计算，单孔放水量为23.9 m3/h。

5）排水时间

预计最大积水量为12.7 万m3，两组孔排水，单孔放水量为23.9 m3/h，计算排水时间为110 d。

4 安全技术措施

为保证作业地点施工安全，在探水前和钻孔施工期间，队组要加强沿途顶板的支护；在开始探巷之前，必须确保巷道内已配备至少一趟4 寸管路及两台45 kW水泵；探钻地点附近必须安装电话，以便及时汇报探钻过程中发生的意外情况和一旦工作面发现透水征兆时，能及时与地面调度室联系、汇报情况，并向受水害威胁区域发出警报[3]；探放水队必须严格按照探钻参数要求进行施工，不得擅自更改，如遇井下情况特殊确需改变设计时，必须经地质部门同意后，重新调整钻孔参数，补充钻孔探测设计方案；探放水队在探测过程中，如果发现煤岩松软、片帮、来压或钻眼中水压、水量突然增大及顶钻等异常现象时，必须立即停止钻进，但不得拨出钻杆，撤出所有受水威胁地区的人员，同时向矿领导及调度室汇报；探放水队必须在班前会强化员工的防治水意识，真正做到防患于未然；探放水队在钻场位置巷道顶板悬挂探放水牌板，并标明探孔施工日期、人员、参数、放水量；探放水孔在探通后，必须上止水套管，安装压力表、流量计；地质科派专人负责指导探孔的施工，使探孔参数严格符合设计要求；安监站派专人监督，如果发现探钻参数不合格，立即要求停止施工探孔[4]；探测完毕，由探放水队、地质科、安监站、掘进队组相关负责人组织验收，验收合格后在四联验收单签字。

5 水患治理及排水情况

1）上覆层探放水工作

12#煤层406盘区8637工作面向上覆3#煤层共施工井下放水验证孔1 个，钻孔钻进137 m 沟通3#煤层，通孔无水。综上所述，上覆层探放水工作已完成，无水患。

2）同层8611采空区积水探放水工作

为疏放8637工作面同层8611采空区积水，矿井制定了专项探放水方案，在8637 切巷建立一放水硐室，向8611采空区施工两个放水孔，向同层8615采空区施工两个排水孔，两两对接，将8611 采空区积水通过自流排放至同层相对较低的8615采空区内，地质防治水科负责日常水量观测、汇总及分析工作。

矿井开始排水日期为2019 年10 月21 日，截止2020年1月13日，8637切巷放水硐室两组探放水孔均已无出水，累计排放水量8.1 万m3。总排水量小于预计最大积水量，主要原因为采空区形成时间长，采空区压实程度较好，形成的储水空间相对较小以及出水口水位与老空水水位有一定高差，老空水未全部排出。8611 采空区积水排放工作已完成，水患已基本消除。排水时间为84 d。涌水量和排水时间均小于预期。

综上所述，12#煤层406盘区8637工作面经探放水工作，上覆层已无水患威胁，同层8611 采空区水患已基本消除。8637 工作面在防治水方面已具备安全生产条件，符合准入验收标准。

6 8637工作面开采情况

12#煤层406 盘区工作面8637 工作面为煤柱工作面，回收406盘区大巷煤柱，工作面南北方向布置。该工作面走向长701.8 m，切巷长度94.8 m；巷道规格为4.5 m×2.8 m。12#煤层直接顶为中粗砂岩互层；直接底为粗中细粒砂岩；12#煤层平均厚度4.75 m。采煤方法为综采一次采全高采煤法，工作面可采储量为43.5万t。通过8611 工作面的探放水工作，解除了8637 工作面水害威胁，8637 工作面于2020 年8 月底回采完毕。

7 效果分析

1）通过将8611 采空区积水通过自流排放至相对较低的8615采空区，解决了8637工作面上覆采空积水和同层采空积水的水害威胁。

2）通过探放水工作，保证了8637 工作面43.5 万t煤炭资源安全回收，延长了矿井服务年限，创造了较高的经济效益。

3）正常的探放水作业是将老空水经探水孔排至巷道小水仓，经过矿井主要排水系统排至地面矿井水处理站，处理后利用或外排。此次排水作业减少了排水工序同时降低了排水及水处理成本。

8 适用条件和推广应用范围

该探放水方法适应于同层临近采空区积水的疏放，主要利用采空区间的标高差，将采空区积水疏放至标高较低的采空区内，即减少了积水疏放的物料成本和人工成本，又减少了污水处理压力，环保节能，降本增效。对于许多兼并重组矿井的老窑积水处理提供一种解决方法。