彬长矿区亭南煤矿207工作面综合防治水技术_谷占兴.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY low-level drain; clear water drainage behind working face;step discharge 煤矿水害作为煤矿重大灾害之一，对煤矿安全 生产带来很大威胁。陕西彬长矿区煤炭开采受煤层 顶板白垩系洛河组巨厚承压含水层水威胁[1]，此含 水层厚度大、富水性中等、水量丰富、不可疏干性 等特点，给煤矿防治水工作带来巨大困难[2-3]。亭南 煤矿矿井涌水量持续增大，隔水层隔水能力有限采 动导水裂隙带发育高度大[4]。主采 4 号煤层顶板砂 岩含水层厚度巨大、富水性中等、涌水量大，工作 面涌水煤粉含量大，排水系统易淤积，工作面排水 困难，顶板淋水造成生产环境恶劣。为加强工作面 防治水工作，陕西长武亭南煤业有限责任公司成立 了矿井防治水研究所，围绕矿井白垩系巨厚含水层 透水机理和水体下开采等关键技术展开研究[5-6]。对 工作面顶板含水层富水性评价[7-10]、导水裂缝带及 隔层[11]、离层空间超前探查疏放[12-14]，经过十余年 防治水工作，总结出亭南煤矿防治水工作中存在的 问题，在原有的“以防为主”的基础上，采取“以 防为主，疏防结合”的措施[11]。 1 概 况 207 工作面位于彬长矿区亭南煤矿二盘区中 部，是二盘区第五个回采工作面，工作面沿方位角 0布置， 原设计推采长度 2 260 m， 工作面宽 200 m。 207 工作面东侧依次为 206、205、204 采空区，与 206 采空区之间留设 30 m 区段煤柱； 西侧为实体煤； 切眼位于工作面北部，靠近井田边界保护煤柱；停 采线位于工作面南部。 2 工作面地质概况 2.1 工作面地质条件 207 工作面所采煤层为侏罗系延安组 4 煤，煤 层埋深 491690 m，煤层厚度 13.621.2 m，平均厚 度 18 m， 开切眼至 1 350 m 回采厚度为 6.5 m， 1 350 m 至停采线回采厚度为 9 m， 煤层倾角 08， 平均 4。 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 47 卷 煤层直接顶为砂质泥岩，老顶为粗粒–细粒砂岩互 层，直接底为铝质泥岩，老底为砂质泥岩。 该区域横跨哪坡–杏曹湾–公坡寺向斜和南玉 子向斜轴部。 哪坡–杏曹湾–公坡寺向斜走向 EW NE，延伸长度 6.5 km。向北倾伏，幅度 5090 m， 跨度 0.91.9 m，两翼倾角 36 。南玉子向斜自 112 号孔向东经 ZK4-1、ZK7-1、ZK8-1、ZK10-1、 96孔呈 NEE向延伸， 向斜北翼煤层产状 170180 ∠08，南翼煤层产状 4045∠04。南玉子 向斜轴附近煤岩层破碎，未发现大断层及陷落柱 等地质构造。 2.2 水文地质条件 207 工作面主要受 4 煤层顶板白垩系承压含水 层水害威胁。参照 ZK8-1、G2 号钻孔，含水层岩性 主要以中粒砂岩、粗粒砂岩和粗砾岩为主，洛河组 含水层渗透系数为 0.024 1 m/d， 自开采工作面以来， 4 煤层顶板至洛河组底界距离为 173.5 176.0 m。隔 水层为侏罗系安定组，厚度为 48.562.8 m，岩性主 要以粗砂岩、砂质泥岩为主。具体含、隔水层情况 见 207 工作面参考钻孔地层厚度数据简表表 1。 表 1 207 工作面参考钻孔地层厚度数据 Table 1 ation thickness data of the reference boreholes in working face 207 单位m 参考钻孔 4煤 4煤以上延安组 直罗组 安定组宜君组 洛河组 4煤顶板至洛河组底界 ZK8-1 19.8 66.3 18.4 62.8 34.5 298.4 172.0 G2 19.6 66.2 26.8 48.5 31.5 212.0 173.0 3 工作面涌水情况 影响 207 工作面回采的采空区积水主要为 205 和 206 工作面采空区。205、206 采空区水通过206 工作面 面后进入 206 工作面临时水仓，再通过 207 回风顺槽 5 号联络巷全部外排。工作面过泄水巷前 205、206 工作 面采空区水经207 泄水巷进入207 灌浆巷排水点外排， 推过向斜轴底区域后，205、206、207 工作面采空区水 大部分经泄水钻孔流至二、四盘区临时泵房外排。 其中 207 工作面推采至 160 m 开始出现涌水， 水量为 20 m3/h。 推采过 207 回风顺槽 5 号联络巷之 前，涌水量约 400 m3/h。截至 2018 年 11 月 30 日， 205、 206 工作面采空区涌水与 207 工作面涌水混合， 混合涌水量约 880 m3/h，其中 207 工作面低位泄水 巷泄水量约 248 m3/h，207 灌浆巷 5 号联络巷泄水 量约 380 m3/h，207 工作面前涌水量约 110 m3/h。在 207 回风顺槽向 206 采空区施工 10 个疏放水钻孔， 疏放水量为 150 m3/h。 3.1 水量变化 工作面面后涌水通过 207 工作面低位泄水巷， 207 灌浆巷 4 号、5 号联络巷排出，水量稳定在 620 m3/h 左右，工作面前涌水量稳定在 110 m3/h 左右。206 采空区疏放水量稳定在 150 m3/h 左右。 3.2 水质变化 207 采空区涌水矿化度 6 0008 000 mg/L， 根据 水质化验结果分析涌水来源为洛河组含水层水。 3.3 地表钻孔水位变化 根据地面钻孔 2-1 号钻孔水位变化与工作面涌 水量变化，以及亭口水库蓄水与 207 工作面采动影 响，207 工作面采动影响大于亭口水库蓄水对 2-1 号钻孔水位影响，使 2-1 号孔水位下降 1.265 m。 3.4 底板水威胁情况 侏罗系安定组厚度为 48.562.8 m，岩性主要以 粗砂岩、砂质泥岩为主。具体含、隔水层情况见 207 工作面参考钻孔地层厚度数据简表。 207 工作面煤层底板为侏罗系中统延安组和侏 罗系下统富县组，煤层直接底板为铝质泥岩，厚度 0.943.2 m， 平均厚度 1.98 m， 间接底板为砂质泥岩， 厚度 2.819.8 m，平均厚度 9.51 m，均为相对隔水 层，不含水，回采不受底板水威胁。 3.5 邻近工作面老空区水威胁情况 计划在 207 回风顺槽 3 号联络巷至 2 号联络巷之 间向 206 采空区施工 12 个疏放水钻孔， 对 206 采空区 涌水进行疏放， 目前已施工 10 个， 将 206 采空区积水 水位控制在安全范围以内， 对工作面安全生产无威胁。 4 工作面涌水量变化特点 二盘区开采过程中，随开采范围和工作面个数 增加， 盘区总涌水量整体呈现增加趋势图 1，尤其在 207 工作面开采之后，水量增加非常明显。即便在二 盘区停采期间， 盘区总水量也发生了明显增加， 由 409 m/h 增加到 581 m/h。说明在盘区停采之后，顶板 岩层依然在缓慢运动，尤其是在长时间停采之后恢 复开采前几天时间内，水量必然突然增加。 对比二盘区已经开采的几个工作面涌水量变化 曲线图 2，可以发现，207 工作面开采之后，工作 面涌水量的增长速度最快，明显高于其他已经开采 的 3 个工作面。随着盘区开采范围的扩大，岩层发 生破裂的高度仍然有所增加，洛河组岩层下沉、破 裂在不断增大， 必然导致洛河组砂岩水的不断释放， ChaoXing 增刊 1 谷占兴 彬长矿区亭南煤矿 207 工作面综合防治水技术 77 引起工作面水量逐步增大。因此洛河组岩层稳定不动而发生突然大面积断裂风险的可能性也较小。 图 1 二盘区工作面涌水量变化曲线 Fig. 1 Variation of water inflow of working face in panel 2 图 2 二盘区工作面涌水量随推进的变化曲线 Fig. 2 Variation of water inflow of the working face with the advance of panel 2 随着工作面向前推进，207 工作面本身的涌水 量呈现整体增加趋势，并且在不同时间段出现突增 现象。比较明显的突增发生在以下几个时间点 a. 2017 年 10 月 2 日， 工作面开采至“一次见方” 区域时，水量由 20 m3/h 突然增加至 100 m/h，在此 之前工作面停采 2 d。 b. 2017 年11 月5 日，工作面因风井检修停采24 d 恢复生产后， 工作面涌水量立刻增加， 之后稍有回落， 但是稳定之后涌水量比停采之前增加约 100 m/h。 c. 2017 年 12 月 1 日，工作面推进至 358 m，位 于地面 Y1-1 钻孔附近时，水量明显增加，至 12 月 11 日推进约 400 m 时，水量达到 355 m/h，之后水 量增加趋于缓和。 d. 2017 年 12 月 11 日，推进至“二次见方”区域 后，水量增加趋势变缓和。 5 207 工作面综合防治水技术措施 根据 207 工作面地质条件，工作面水害防治分 别采取以下综合防治水措施施工采空区注水钻孔 向采空区注煤泥水；施工低位泄水巷钻孔实现低位 泄水；通过面后低点联络巷，实现面后排清水和完 善工作面排水系统将工作面涌水及时外排；采空区 水害防治采用阶梯式施工措施，控制采空区水位； 通过疏放水钻孔破坏离层水害发生条件，防治工作 面发生离层水害。采取多种综合措施，从根本上防 治工作面水害，保证工作面安全生产。 5.1 采空区注水钻孔 207 工作面以西为 206 工作面采空区， 206 工作 面采空区涌水通过最低点 5 号联络巷处实现采空区 涌水自流外排。为了缓解 207 回风顺槽内涌水中煤 泥带来的清淤压力，在 207 回风顺槽内施工 206 采 空区注水钻孔，将 207 工作面涌水打入 206 工作面 采空区，实现采空区内过滤后外排清水。经过统计， 207 工作面俯采范围内主要以向 206 采空区疏放水钻 孔 12 个表 2， 累计工程量 360 m， 注水量 20.6 万 m3， 减少煤泥清淤量 2 万余 m3。 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 47 卷 表表 2 206 采空区注水钻孔统计表采空区注水钻孔统计表 Table 2 206 statistics of water-injecting boreholes in goaf 206 施工日期 钻孔位置 孔径/mm 钻孔个数 注水时间/h 注水量/m3 2017-09 7号联络巷以内58 m 273 1 109 12 000 2017-10 7号联络巷 273 1 82 9 000 2017-11 6号联络巷 273 2 90 20 000 2017-12 6号联络巷以外40 m 273 3 130 45 000 2017-12 4号联络巷 273 3 190 96 000 2018-03 206运输顺槽 273 2 120 24 000 合计 206 000 5.2 施工低位泄水巷泄水钻孔 207 工作面过向斜轴底时，利用低位泄水巷施 工泄水钻孔 11 个。 二四盘区泄水巷设计施工 9 个钻 孔表 3，已全部施工完成，其中施工 206 工作面采 空区泄水孔 7 个，工程量 237.5 m，207 工作面临时 水仓泄水孔 2 个，工程量 64 m。钻孔施工完成后总 泄水能力达到 700 m3/h。受采空区压力和钻孔变形 影响，目前泄水量 240 m3/h。钻孔结构一级孔径 Φ355 mm，下放 10 mΦ273 mm10 mm 套管，二级 孔径 Φ245 mm 钻进至距终孔位置4 m， 下放 Φ219 mm 10 mm 套管，三级孔径 Φ159 mm 钻进至采空区。 5.3 实现面后排水 207 工作面推采过向斜轴部最低点后，利用地 质构造在向斜轴部埋设 2 排 Ф560 mm 排水管路， 并 在 207 工作面灌浆巷内布置了排水点，集中对工作 面后方清水进行集中排放。目前排水量 450 m3/h。 表 3 泄水钻孔参数表 Table 3 parameters of draining boreholes 序号 方位/ 倾角/ 垂距/m 孔深/m 开孔标高/m 终孔标高/m 206-XS1 163 63.7 22.5 26 338.4 363.5 206-XS2 120 47.5 28.9 48 338.4 364.0 206-XS3 90 63.5 28.9 41 338.4 364.0 206-XS4 45 54.5 27.9 39.5 338.4 363.0 206-XS5 13 50.0 21.1 27 338.4 359.5 206-XS6 90 62.5 21.1 24 338.4 359.4 206-XS7 340 52.0 26.2 32 338.4 361.5 207-XS1 304 50.0 25.2 33 335.6 360.8 207-XS2 307 55.7 25.4 31 335.6 361.0 207 工作面灌浆巷 5 号联络巷排水系统情况 在 207 灌浆巷以外 90 m 处水泵窝规格长宽深为 30 m3 m2.5 m，安装 MD500-572 多级离心泵四台， BQS350-100/2160 kN 应急潜水泵两台。敷设 Φ355PE 排水管路两趟各2 400 m， 排水能力为1 200 m3/h。路线 为207 灌浆巷–1 号联络巷–207 运输顺槽–进风大巷 二段–西大巷 9 号联络巷西翼水仓。 工作面以外的 4 号、 3 号和 2 号联络巷分别敷设 1 路 Ф355 mm 排水管 路将工作面后清水引流至 5 号联络巷，集中外排。 5.4 完善工作面排水系统 207 工作面在运输顺槽和回风顺槽分别布置不 低于 800 m3/h 能力的排水系统，保证了工作面前方 涌水及时排出。 5.4.1 运输顺槽排水系统 施工 2 个排水点、1 个振动筛硐室，实现多级 排水。 第一个为移动排水点，位于泄水巷门口非生产 帮侧，随着工作面回采不断向前施工。移动排水点 规格宽深为 1 m1.5 m，安装 BQS200-22-22/K 型潜水排砂泵 8 台。其中，2 台潜水泵接 Φ159 mm 排水管路，排至运输顺槽振动筛处；另外 6 台潜水 泵各接一趟 Φ159 mm 排水管路，排至 207 灌浆巷 5 号联络巷。 第二个排水点位于 207 矸石运输巷门口以北 173 m 生产侧壁龛处。 排水点规格 长宽深为 24 m 1.5 m2.0 m，安装 MD280-65*2 多级耐磨离心泵 2 台， 安装 BQS350-100/2160 kN 应急排水电泵 2 台。 铺设 Φ355 mm 排水管路一趟 1 500 m。路线为207 运输顺槽–207 矸石运输巷–206 皮带机头–进风大巷 二段–西大巷 9 号联络巷–西翼水仓。同时该排水系 ChaoXing 增刊 1 谷占兴 彬长矿区亭南煤矿 207 工作面综合防治水技术 79 统借用 207 回风巷排水系统的一趟管路，在 207 运 输顺槽联络巷处合茬。 振动筛硐室位于 5 号联络巷向外 200 m 非生产 侧，规格长深高为 10 m4.0 m3.0 m，振动筛 下方施工一条 1.0 m1.0 m 水沟至 60 m 外的壁龛处， 施工一条过路水沟将水引入壁龛内施工的水泵窝。 5.4.2 207 回风顺槽排水系统 207 回风顺槽 5 号联络巷往外 100 m 施工水泵 窝。规格29 m2 m2 m。负责外排 205、206 采 空区清水，安装 4 台 MD500-57*2 型多级离心泵，2 台 BQS350-100/2160 kN 型应急潜水泵。主排水管 路二路采用 Φ355 mm 的 PE 管路，一路排水管路长 度 2 380 m，两路共计长度 4 760 m。管路由回风顺 槽经工作面联络巷到达运输顺槽，然后经进风大巷 二段–9 号联络巷排入西翼水仓。 5.4.3 保水仓容积 工作面过向斜轴部区域期间， 一是利用西翼辅助 运输巷，设置临时水仓，缓解了水仓压力；二是通过 对西翼轨道大巷水沟、 西翼水仓进行及时清淤， 保证 了水仓有效容积。 确保了西翼直排泵房排水系统正常 运行，涌水及时外排，工作面正常安全回采。另外， 在二盘区瓦斯抽放硐室和西翼辅助运输巷和 205 支 架检修硐室的废旧巷道设置三个大型沉淀池， 将煤泥 水排至沉淀池进行沉淀，减少煤泥水进入水仓。 5.4.4 相邻采空区水害防治 随着 207 工作面回采，206 采空区内积水逐步 前移，将采空区水位逐步抬升。为了保证 207 工作 面安全回采， 在207回风顺槽内施工12个泄水钻孔， 并在 2 号联络巷内施工 2 个大孔径钻孔，将 206 工 作面采空区积水及时疏放、外排。控制 206 工作面 采空区内水位，保证 207 工作面安全顺利回采。 5.4.5 白垩系洛河砂岩组顶板离层水害 离层水害防治水的首要条件就是破坏顶板离层 水形成的条件；其次，加强工作面的排水能力，保 证出大水后及时将工作面前方的积水全部外排。 在灌浆巷施工一组扇形钻孔，增加运输顺槽侧 的泄水能力。为了破坏顶板离层水害形成条件，在 207 灌浆巷 2 号联络巷南 38 m 施工顶板离层带探查 孔。及时维护工作面排水系统，保证工作面水泵和 管路的排水能力。及时对运输顺槽和回风顺槽侧排 水点水窝清淤，保证排水点不被淤积，保证排水点 内涌水不回流至工作面。另外，工作面前方备用 10 台排水水泵，敷设 7 排排水管路，保证了工作面发 生离层水害时，工作面前方的水及时外排。 6 结 论 a. 经过采前预疏放、向斜轴部低位泄水、阶梯 式施工采空区放水孔控制采空区水位、通过疏放水 钻孔破坏离层水害发生条件，防治工作面发生离层 水害等多种措施，达到了预期效果，有效地解决了 亭南煤矿 207 工作面回采过程中涌水量大，煤粉多 的问题，保证了工作面安全生产。 b. 采空区注水钻孔向采空区注煤泥水，利用西 翼辅助运输巷设置临时水仓的快速清淤防治水措 施， 有效地解决了工作面涌水中煤粉含量大、 易淤积 的防治水难题， 使生产污水中煤粉减轻了泵房排水压 力， 保证了矿井排水系统正常运行。 同时降低了地面 污水处理的难度。生产污水达到环保排放要求。 c. 通过对亭南煤矿 207 工作面综合防治水技术 应用研究，积累了复杂条件下工作面防治水经验， 但是对工作面后方采空区低位泄水孔施工工艺还需 进一步研究。 参考文献 [1] 武谋达. 彬长矿区复合煤层联合开采区涌水特征[J]. 煤田地 质与勘探，2019，471133–137. 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