大淑村矿2#煤顶板砂岩水害防治技术研究

　　摘要:在不完整穹窿式主体构造控制作用下，大淑村矿首采区2#煤层开采中顶板砂岩水害严重，认真研究了其特殊的开采水文地质条件，我们采取以排放水为主的防治水技术方法，充分利用了已有采掘工程，以最小的工程量、最少的资金投入、分阶段、分期较好的完成了防治水任务、保证了矿井投产初期的安全生产。同时也为类似条件水害防治工作探索了一条可供参考的技术经验。
　　关键词：防治水,疏干,排放
　　一、首采区概况
　　大淑村矿首采区位于大淑村矿-450水平东一盘区上山部分，西起工业广场煤柱、东至盘区技术边界、北以-450水平东翼大巷为界、南至塔子村村庄保安煤柱和F9号大断层。
　　区内煤岩层赋存稳定，普遍可采。主采煤层2#煤，埋深550～600米，赋存标高-448～-350米，属二叠系山西组地层，厚4.7～6.0米；配采煤层4#煤，与上覆2#煤层层间距38米，属石炭系太原组地层，厚1.0～1.8米。
　　2#煤层为突出煤层，按照矿井设计，4#煤层作为2#煤层的下保护层优先开采。2#煤层采用“放顶煤”工艺、4#煤层采用高档普采工艺开采，均采用全部跨落法管理顶板。
　　区内地层呈不完整穹隆构造形态，穹隆顶位于本区西南部边界附近，煤岩层倾向自西向东，由NW过渡到N，再过渡到NE、E、SE。F21号断层组、F9号断层及其次生断层对煤层开采有较大影响。
　　按照开采设计，区内2#、4#煤各工作面均按走向NE790布置。共布置正规工作面4个，其中2#煤两个，编号为172101、172102；4#煤两个，编号为174101、174102。详见下图。
　　                
　　二、首采区2#煤顶板砂岩水及其危害
　　1、顶板砂岩水的来源
　　本区2#煤开采中有充水意义的顶板含水层有三个：一是2#煤间接顶板砂岩含水层;二是二叠系下石盒子组底部砂岩含水层，前者与2#煤正常层间距约9.0米，后者与2#煤正常层间距约45米。它们都处在2#煤顶板采动导水冒裂带（根据现行1984年原国家煤炭部颁《矿井水文地质规程》附录七计算，受采动影响2#煤层顶板导水裂隙带发育高度最大可达90.0米）范围内，因此，两含水层水将随2#煤开采沿采动裂隙涌入矿井;三是二叠系上石盒子组下部砂岩含水层，它与2#煤正常层间距一般大于240米，远在2#煤顶板采动导水冒裂带范围之外，但是，受F9号断层影响，断层上盘该含水层局部与172101工作面东段间距缩小为60米左右，落在了172101工作面顶板采动导水冒裂范围以内，所以，该含水层也成为本区2#煤开采的主要含水层之一。
　　2、顶板砂岩水的危害
　　研究工作面开采设计可以发现，区内各工作面外段（西段）均为缓倾斜下山推采，工作面涌水均可沿下巷自流出本工作面，直泄-450水平大巷，不存在重大水害问题；而各工作面里段（东段）均为上山推采，工作面涌水一旦充满采空区，将直接影响工作面正常生产，甚至有可能淹没工作面。另外，先开采的积水采空区（172102工作面采空区）还将威胁相邻工作面（172101工作面）掘进沿空送巷期间的安全。因此，本区2#煤层顶板砂岩水主要威胁2#煤东段开采安全，即172102、172101工作面东段回采和172101工作面东段掘进安全。
　　三、防治水技术路线的选择
　　顶板水害作为矿井水害的主要类型之一，其防治水方法有两大类：一是以提前疏干含水层为目的的方法系列，是主动的防治水方法，主要适用于充水能力强、水害威胁大的含水层，这样的含水层往往具有厚度大、富水性强、水力连通性好，甚至有补给水源等特点；二是在采矿活动中，待含水层水涌入矿井后，采取以排放水为目的的方法系列，是被动的防治水方法，它主要适用于充水能力较弱、水害威胁不太大的含水层，这样的含水层往往具有厚度薄、富水性弱且不均一、水力连通性差、没有补给水源（或补给量较小）等特点。综合分析本区上述三个含水层水文地质条件后，它们均属于充水能力较弱、水害威胁不太大的含水层之类，预计2#煤回采期间工作面正常涌水量0.2～0.5m3/min，最大涌水量0.5～0.8m3/min，因此，选择了以排放水为主的综合防治水技术路线。
　　四、防治水工程设计
　　1、设计方案优化比较
　　受2003年172102工作面开采时-450东翼水平大巷只掘到充电房附近，还没有向东延伸、本区下伏174102工作面已经采空、174101工作面刚刚开始掘进等等相邻采掘工程进度严重滞后条件限制，可供参考的设计方案有三种：
　　方案一（图一）
　　整修174102尾巷作排水通路（或掘进174101工作面运料巷兼作排水通路），总工程量1200米，到采区边界后（此处巷道标高最低）构建排水泵站，之后，挑200米上山石门分别贯通172101、172102切眼下端头作泄水巷，将2#煤顶板涌水放到野青层位由泵站排出。
　　本方案的优点是：能够彻底解决水害问题。缺点是：工程量大、工期长、施工复杂、工程费用高昂、排水通路排水泵站需要长期维护，尤其是172102、172101工作面将不能如期衔接。
　　方案二（图二）
　　由172102切眼向南延伸10米至172101切眼上端头，再下山掘进110米专用泄水石门，将水引流到174102采空区，涌水首先灌注174102采空区东段，积水水位达到-425米高程后沿原溜子道自流到-450东翼水平大巷。-425米高程以下2#煤回采中，依靠本工作面下拐子头移动泵排水保证安全生产。。172101工作面沿172102积水采空区送巷中，边探放水边掘进（或先由上巷掘切眼，在切眼上端头集中探放老空水后，再掘进）。  
　　本方案的优点是：充分利用了174102采空区的调蓄水功能、通过石门向野青泄水有保证（不受采动影响）、施工相对简单、工期相对短、工程费用低、能够解决部分问题。缺点是：解决水害问题不彻底、2#煤回采中依靠排水维持安全生产时间长，尤其是制约172101工作面掘进，致使172101工作面将不能按计划如期衔接。
　　方案三(图三)
　　172102切眼向南延伸10米至172101切眼上端头，作泄水巷，在泄水巷最南端（最低洼处，高程-433米）施工一组泄水钻孔，透174102采空区，用钻孔将涌水引流到174102采空区。同样，涌水首先灌注174102采空区东段，待积水水位达到-425米高程后沿原溜子道自流到-450东翼水平大巷。这可保证172102工作面-425米水平以上绝大部分地段在无水状态下安全回采，而-425米高程以下局部地段，则依靠本工作面下拐子头移动泵短期排水，保证安全生产。
　　在172102工作面生产的同时，迅速延伸-450东翼水平大巷，大巷掘至77孔附近揭露野青煤层，然后自大巷开口向南侧摸野青煤上山掘进专用泄水巷，力争在172101工作面掘进前透174102积水采空区，并将积水水位由-425米疏控到-439米水平（低于172102工作面东段最低洼处高程——-433米），这样，可保证172102采空区无积水、可保证172101工作面掘进沿空送巷安全、可保证172101工作面-433米水平以上绝大部分地段在无水状态下安全回采。对-433米水平以下172101工作面的局部地段，则依靠本工作面下拐子头移动泵短期排水，保证安全生产。
　　本方案的优点是：不掘石门、施工简单、工期短、工程费用低、解决水害问题比较彻底，能够保证172102提前投产、能够保证172101工作面的如期衔接。缺点是：172102、172101工作面回采中，都有短期排水、泄水孔组有可能在采动影响下被破坏，不能长期泄水。
　　综合比较上述三个方案，我们认为“方案三”可操作性强、灵活、简便、工程费用低、能保证工作面的正常衔接、能很好的解决水害问题保证安全生产，因此，最终确定使用“方案三”。
　　              
　　2、实用方案工程设计
　　泄水孔施工设计、安装图(图四)
　　
　                                                               　图四
　　172102、172101工作面下拐子头排水系统能力、设备配置图（如下）
　　                
　　五、防治水效果检验
　　因衔接紧张，172102工作面泄水巷实际在距切眼15米处开口，向南掘进了20米，按设计施工泄水孔2个孔（透174102采空区），单孔深40米，总进尺80米。172102工作面于2003年9月30日开始回采，日推进度1.5～2.5米，工作面上山推采过程中未发现采空区积水，涌水全部通过泄水孔下泄174102老空区，172102工作面下巷排水系统未曾启用，实现了无水害影响下的安全生产。
　　随后观测到172102工作面下泄水蓄满174102老空区水，并自原溜子道涌出，当时测得水量仍有0.10m3/min，后水量逐渐减小至0.07m3/min稳定。
　　172101工作面掘进的同时，我们加快了-450东翼大巷的施工速度。2005年10月底掘至337号经纬点附近，大巷如期揭露野青煤，11月按设计施工174102泄水巷，到距积水区20米时停止掘进，施工探放水钻孔，12月8日上斜验证孔钻透172102采空区（透点高程-395米）无水、无风，初步证实172102泄水孔还在起作用、-425米以上174102采空区应该无积水。12月9日水平孔钻透174102积水采空区（透点高程-439米），钻孔出水量1.80m3/min，经过20天放水，2.5万米3静储水量全部放出，泄水巷随后掘透积水区，将水位永久控制在了-439米高程。2006年元月初，172101工作面下巷开始沿原172102积水采空区掘进，当月创月进612米历史新纪录，期间，沿巷道北侧帮施工8组24个探172102采空区积水情况验证孔，均无水，实现了沿老空无水害、安全、高效生产，保证了工作面的如期顺利衔接、达到了预期目的。
　　六、安全经济效益
　　1、工程投入资金：
　　1）、172102泄水孔2个（直立岩石孔）总进尺80米，按照单价150元/米计算，共投入资金
　　80*150=1.2（万元）
　　2）、174102泄水巷放水孔3个（1个+400岩石孔，2个水平煤孔）总进尺120米，按照单价100元/米计算，共投入资金
　　120*100=1.2（万元）
　　3）、174102泄水巷进尺120米（野青半煤巷），按照单价4000元/米计算，共投入资金
　　120*4000=48.0（万元）
　　4）、172101工作面105天排水生产期间实际投入人力、物力、电力消耗共计15.0万元
　　合计投入资金1.2+1.2+48.0+15.0=65.4（万元）
　　2、工程收益
　　1）、实现了172102工作面无水害影响下的安全高效生产。工作面东段共生产240天，共节省排水设备、电力、人工损耗至少35.0万元。
　　2）、实现了172101工作面无水害快速高效掘进，保证了工作面的如期衔接。
　　3）、实现了172101工作面东段-420米以浅至少110天上山推采期间的无水害安全高效生产。同样可节省排水设备、电力、人工损耗至少15.0万元。
　　合计可创造经济效益
　　35.0+300.0+15.0=350.0（万元）
　　效益与投入相抵后，总收益至少有
　　350.0–65.4=284.6（万元）
　　七、结束语
　　通过实践检验，我们认为本区防治水工作取得了一些可宝贵的技术经验，可作为今后有益的参考，比如：“①距采空区15～18米的泄水孔群经过两次采动影响不会被破坏、可长期保存、②8米宽的2#煤采空区阶段煤柱在10米水柱侧压力下不会被挤垮，但有渗水现象。
　　总之：大淑村矿首采区2#煤顶板砂岩水害防治技术措施，经过实践证明切实可行、效果显著、安全经济效益突出，是在矿井防治水技术上一次有益地尝试，所取得的技术经验可供类似条件下防治水害借鉴使用，具有一定推广应用价值。