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综掘工作面探放采空区水快速掘进之浅见

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  摘要:山西古交西山义城煤业18103综采工作面进风顺槽沿8#煤层走向掘进,根据分析邻近8#煤层采空区内有积水。根据积水情况及采掘衔接紧张现状,采取了专门施工探放水钻场和工作面迎头物探、钻探相结合的超前探放水措施,取得了较好的效果,此项工程是典型的探放水快速掘进工程实例,为老空水的防治及缩短施工工期提供了借鉴和帮助。
  关键词:矿井综掘;钻场;探放水
  1 前言
  山西古交西山义城煤业有限公司属整合矿井,地处西山煤田西北边缘地带,矿井地质条件中等,地质构造较发育,断层多,地表煤层出露,历史上多被小窑开采,破坏严重,采空区老空巷多,积水积气情况复杂。造成井巷工程施工难度大,巷道断面、支护形式、长度变化较大,变更较多,采掘衔接一直紧张。如何更好地加快掘进速度,形成综采工作面并在严格执行探放水工作的前提下,能够尽快安全回采,一直是困扰该煤矿安全生产工作的重要问题。
  2 18103进风顺槽工作面概况及水害威胁情况
  2.1 18103进风顺槽工作面概况
  18103进风顺槽开口于轨道下山B点,沿8号煤层顶板施工、前进方位231°,设计直线长度364m。巷道的断面4.0m宽、高度为3.0m,支护方式为全锚;四邻井巷工程:北西面为18101工作面8号煤采空区(有积水);南面为小窑破坏区;其余方面为8号煤实体。
  本工作面处于一向斜构造,煤层倾角8-14°。南东面相距本巷道50m、100m左右分别平行分布有两条落差10m左右的断层F28(141°<72°)、F29(321°<60°)。18103进风顺槽主要在8号煤层中掘进, 邻近的钻孔有 824#。
  2.2 水害威胁情况
  本工作面不属于带压开采。
  老(采)空积水是本井田最主要的水害威胁,9号、10号煤层均为实体。据调查0-364m段 8号煤层为实体,南西面邻近台盘矿破坏区8号煤为采空区,有积水;西北面邻近18101工作面采空区,有积水。巷道施工中应充分考虑8号煤采空区的积水情况。据调查8号煤采空高度4.5m左右,為房柱式开采。本该工作面水文地质情况中等。预计工作面掘进期间正常涌水量4m3/h、最大涌水量15m3/h。煤层积水参数详见下表:
  3 18103综采工作面进风顺槽掘进过程中采取的探放水技术及对策
  3.1 超前物探探测
  委托西山煤电(集团)有限责任公司地质测量勘探中心物探院进行瞬变电磁法勘探,巷道从拐点+120m起、掘进时每50m进行一次物探,共进行8次物探,基本查明8号煤层前方及邻近老空区异常区情况,进而为钻探验证提供了依据。
  3.2 钻探验证
  3.2.1 钻场设计
  由于本矿采掘衔接紧张,为了尽快使18103综采面进行回采工作,设计在18103进风顺槽内每隔50m在行人侧施工一钻场;断面为2m深、4.5m宽*3m高的梯形、支护要求为全锚支护;水仓及沉淀池的容积为4m3、施工要求有安全栅栏与盖板。
  3.2.2 钻孔设计
  根据生产衔接结合积水情况与地质情况,需施工探放8号煤层老空积水的钻孔。每个钻场进行单独的钻孔设计。
  钻孔施工顺序:由高向低探8号煤层积水,按序号先后进行施工;
  固管方式、固管材料;孔口装置采用长10.0m、直径为109mm的有丝扣连接的无缝钢管,在钢管外侧端头用φ8mm钢筋焊制两个半圆环。在套管外侧焊接一个配套法兰盘并配备闸阀和水压表。钻探时孔口管必须固定固定牢固,采用锚杆加40*5扁铁加花兰螺丝固定不少于三道,不得用铁丝固定,保证放水可控制(孔口装置见附图)。
  单孔设计:有低阻区地段,开口段主要穿越岩层,钻孔起始段0-10.0m;用直径133 mm的钻头钻进,然后安装孔口装置,安装好孔口装置后,采用85mm孔径的钻头钻进。
  孔口装置的安装:用水泥砂浆使套管与围岩固定,在钻孔上下0.3m与套管成15°角穿过套管耳环各打一根2.0m的螺纹锚杆,并用托盘与螺丝将锚杆与套管固定牢固。
  18103回风顺槽此次探放8#煤老空积水采用钻机型号为ZDY3200s型井下全液压坑道钻机,主要参数:额定转矩3200N.m,立柱2.8-3.2m,钻进深度200m(岩)。
  3.2.3 钻孔涌水量及放水时间预计
  计算单孔涌水量(采用公式计算):
  其采空积水量可由下式估算:
  W=K×M×S/cosα
  W-采空积水量(m3);K-采空的充水系数取0.3;M-采高或煤厚(m)取3.8;S-采空区水平投影面积(m2)取3823;α-煤层的倾角(度)取14°。
  W=K×M×S/cosα=0.3×3.8×3823/cos15°=4511(m3)
  另外下部原小窑空巷249m长,积水约2989m3,18101采空区及其下部空巷合计积水7500m3。
  进行放水孔单孔涌水量预算:
  q=πD2/4×√(2DgH/(λL+D))=3.14×(0.0852/4)×√((2×0.085×9.8×34)/(0.025×127+0.085))=0.024m3/s=85m3/h
  D-钻孔直径,m;g-重力加速度,m/s2;H-孔口以上水头高度,m;λ-沿程阻力系数;L-钻孔孔深,m。
  计算探放水时间(满足采掘衔接要求),根据涌水量及放水时间对排水系统提出要求。利用孔口阀门控制水量在50m3/h。预计放水延续时间为7500/50≈150(h)。只要打中主要积水区域,连续放水,可以在较短时间内放完水;如前面的孔出水小,要用钻杆捅到底、防止放水中出现堵孔,施工后续钻孔进一步疏放积水;直至全部放净。
  4 成果及经济效益分析
  本次探放的积水区为邻近上山方向18101工作面采空区积水及邻近原台盘矿8号煤旧巷积水,预计积水量为7500m3,截至12月22日,共放水8962m3。本次钻探施工76个孔,累计钻探进尺5851m。本次钻探9个孔见空涌水,所打通的巷道为18101工作面采空区及8#煤小窑巷道,目前本钻场总放水量为3m3/h。实际放水量较大的原因,据分析主要是原小窑采空区估计的面积小了,所以预计的积水量偏小所致。大大加快了18103综采工作面的准备时间,缓解了采掘衔接紧张的问题。
  5 结语
  该煤矿为整合矿井,地质条件复杂,采掘衔接一直紧张。本方案通过每50m增加施工一个钻场,虽然增加了巷道施工量16m,但合理安排了钻探位置,大大减少了探放水对综掘工作面施工的影响时间,为尽快形成回采工作面及工作面安装后及时安全回采创造了可观的经济效益和社会效益。对于大部分采掘衔接紧张的整合煤矿也有很大的借鉴价值。
  参考文献:
  [1]贺百红.煤矿水害隐患的安全评价与防范分析[J].能源技术与管理,2018(05):126-128.
  [2]高玲.天池矿井防治水安全技术改造[J].煤矿现代化,2017(04):47-49.
  [3]王顺喜.煤矿地测防治水工作及技术管理体系探究[J].山东煤炭科技,2017(06):146-147.
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