沿空循环限压放水技术实践

牟海鹏 宋 坤 周法乐

（山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东 济宁 272055）

1 研究区地质概况

运河煤矿位于济宁煤田唐口勘探区北部，为华北型全隐蔽石炭二叠纪含煤地层，开拓方式为一对立井开拓，开采方法为综采及综采放顶煤。矿井核定生产能力70 万t/a，主采二叠系山西组3 煤层，煤层平均厚度6.15 m，矿井总体为一近南北走向的向斜构造，全井田为一宽缓褶曲构造，并发育着次一级小型褶曲及断裂构造，地层倾角一般5°～25°。井田西部发育有南张向斜，南张向斜轴向北北东，向南倾伏，受其控制7301、7302、7300 工作面东西向均呈现东西高、中部低的形态。即将开采7300工作面位于7301、7302 工作面采空区之间。各工作面布置如图1。

图1 7300 工作面采掘工程平面图

2 采空区积水水害因素分析

7301 工作面于2014 年8 月—2015 年4 月开采完毕，采空区面积25 305 m2，预计积水量63 549 m3，积水上下限标高-370～-393 m。

7302 工 作 面 于2014 年3 月—2014 年10 月 开采完毕，采空区面积49 918 m2，预计积水量89 852 m3，积水上下限标高-390～-432 m。

根据7301、7302 工作面回采期间涌水量数据分析，两工作面采空区内存在5～10 m3/h 补给来源，采空区内积水范围较大。7300 工作面皮带顺槽、轨道顺槽均存在沿空布置区段，沿空煤柱宽度均为5 m，沿空掘进巷道最低点均进入相邻采空区积水标高20 m 以上。7300 工作面掘进期间受两侧采空区积水威胁。根据《煤矿防治水细则》第八十二条：“沿空掘进的下山巷道超前疏放相邻采空区积水的，在查明采空区积水范围、积水标高等情况后，可以实行限压循环放水，但必须制定专门措施由煤矿总工程师审批”。

7300 工作面与7301、7302 工作面近平行布置，两侧均存在沿空掘进工程区段，自东向西掘进，按照采空区积水分布特征“中部低，东西高”，采用循环限压方式逐步疏放。

3 采空区水害防治技术[1-3]

3.1 采空区积水水位精准探查

为准确查明采空区内积水上限标高，7300 轨道顺槽、7300 皮带顺槽自巷道掘进至采空区积水警戒线处开始，巷道标高每降低1 m 施工1 处探测钻孔，钻孔开孔位置均为采空区底板0～0.5 m，钻孔水平钻进，设计长10 m。如图2、图3。

图2 7300 皮顺探查孔布置方案

图3 7300 轨顺探查孔布置方案

由于进入探水线初期，7300 皮带顺槽内煤层倾角为北倾15°，采空区标高较对应位置巷道标高高约1.5～2.0 m，验证钻孔方位与煤层走向一致，超前探查前方对应水平位置采空区积水情况。根据探查位置煤层倾角变化动态调整超前角度。

7300 轨道顺槽与北部采空区相对标高基本持平，7300 轨道顺槽内探查钻孔方位为垂直7302 采空区边界施工。

钻孔首次揭露出水现象后，退后至相邻两个钻孔中点位置补充施工1 个探测钻孔，以进一步提高积水水位控制精度。钻孔揭露采空区涌水后，限距掘进区域内不再施工探水钻孔，改为施工放水效果检验孔。

经过探查，准确查明两侧采空区积水上限位置，并按照实际探查成果对两处采空区积水线位置、积水范围及积水量修订，重新划定采空区积水三线。

3.2 采空区积水疏放

（1）查明采空区积水标高后，应严格控制迎头标高，并按照“限距掘进→停掘、安装排水系统→放水→效果检验→限距掘进”的循环组织生产，直至采空区积水疏放至掘进巷道施工标高最低处。

（2）水压控制要求：每限掘距离由巷道迎头最低点与采空区积水水位高差控制，保证巷道迎头最低点处采空区水压小于0.01 MPa，即巷道迎头最低点标高与采空区积水水面标高高差小于1.0 m，掘进期间每班标校巷道底板与采空区积水水位高差。水压验证采用U 型管方法进行，首先在揭露涌水的钻孔安装水管，并将水管出水口逐渐抬高，直到水管内水面静止，实测水管内水面与巷道迎头最低处高差，该数据即为迎头所承受水压。

（3）巷道停掘后应在迎头处施工临时水仓1处，水仓规格为净长×净宽×净深=4.0 m×4.0 m×1.5 m，水仓在巷道迎头居中布置。

（4）水仓施工完毕后安装排水系统，要求在用及备用排水系统能力均不小于100 m3/h，检修水泵排水能力不得小于在用排水泵能力的75%。排水系统实现双回路供电，独立排水管路，备用排水系统具备独立性，可直接进行排水。

（5）排水系统安装完毕后，施工1～4 个放水孔，钻孔开孔位置位于巷道迎头位置，每个钻孔间隔为0.8 m，距离巷道底板1～1.5 m。7300 皮带顺槽钻孔方位按照巷道内左右方向煤层倾角确定，煤层倾角大于6°时，钻孔方位按煤层走向方位布置；煤层倾角小于6°时垂直采空区边界布置。7300 轨道顺槽按照垂直采空区边界布置，钻孔水平钻进，钻孔设计长度15 m（钻孔进入采空区距离10 m）。

单孔出水量估算参照公式（1）：

式中：Q为单孔出水量，m3/s；C为流量系数，0.6～0.62；D为钻孔孔径，取0.075 m；g为重力加速度，9.81 m/s2；H为钻孔出水口处的水头高度，取最大值1.0 m；λ为沿程阻力系数，取值标准见表1，取0.04；L为钻孔长度，取15 m。

表1 沿程阻力系数表

代入数据计算可得Q=0.006 5 m3/s=23.4 m3/h，即单孔预计最大涌水量为23.4 m3/h，3～4 个钻孔同时放水预计最大涌水量为70～75 m3/h。

（6）放水钻孔要加强疏通维护，现场应维持放水钻孔涌水量（含巷道涌水、防尘用水）50 m3/h以上，涌水量小于50 m3/h 时应进行钻孔疏通。当疏通效果不明显时应及时补打钻孔，尽可能提高放水效率。放水期间每班做好涌水量观测统计，每班观测涌水量次数不少于3次，观测方法采用容积法，具体如下：

记录观测时间S（s），水位升高H（m），涌水量计算公式（2）：

（7）采空区积水疏放至钻孔标高以下后孔内不再出水，届时需按照探水孔施工方法在标高最低的放水孔一侧0.5 m 范围内施工验证钻孔一处，确认采空区积水已疏放至设计标高后，采用粘土及锚固剂将放水孔封闭，封闭长度不小于3 m。

3.3 钻孔结构

钻孔施工选用SGZ-IB150 型钻机配合直径133 mm 钻头，首次开孔2.5 m，孔口安装长度2.0 m、直径108 mm 无缝钢管作为孔口管。每个钻孔内安装的孔口管均用两根锚杆固定，孔口管上方和煤岩壁间埋设注浆管路导气管，用水泥加树脂锚固剂封堵，自孔口管内压注堵漏王浆液至导气管反浆。孔口管埋设合格后，装上控水大阀门，然后用Φ75 mm 钻头钻进至设计孔深。如图4。

图4 钻孔结构示意图

3.4 采空区水源补给验证及恢复掘进施工标准

由于采空区内可能存在水源补给，第一次放水时应准确控制采空区补给水量，以便于确定采空区水位降至设计放水位置，明确恢复掘进施工标准。在第一阶段放水后期，钻孔涌水量经过反复疏通后没有明显增加，钻孔水位保持稳定，根据钻孔涌水量可以准确得出采空区补给水量。经过验证，7301采空区补给水量为5 m3/h，7302 采空区补给水量为10 m3/h。

4 采空区积水疏放效果验证

按照设计将采空区积水疏放至最低点后采用钻探、物探手段对放水效果进行验证，探测采用瞬变电磁法。根据工作面巷道实际情况，在7300 皮带顺槽及轨道顺槽放水区域最低点按照扇形观测系统布置，以面向最低点中心为原点，沿巷道左侧、外帮和右侧实施Mtem 数据采集。经过探测，7301 采空区内无低阻区，7302 采空区-378 m 标高以上无低阻区，与验证钻孔施工揭露数据一致。7300 皮带顺槽放水效果验证顺层方向横向剖面视电阻率成果图如图5。

图5 7300 皮带顺槽放水效果验证顺层方向横向剖面视电阻率成果图

5 结语

采空区积水探测疏放工程直接关系巷道掘进安全，沿空循环限压放水工艺避免了施工专用泄水巷，减少了巷道掘进尺。在实际应用过程中应当做到采空区积水准确探查，严格控制水压不大于0.01 MPa；加强现场排水系统建设，保证排水系统运行稳定性，实现多回路排水并行，强化排水保障；孔口管安装牢固可靠，确保放水量能够有效控制；放水效果检验要采用物探、钻探等多种手段进行，保证采空区积水疏干放净，彻底消除水害威胁。