乌兹别克沙尔贡煤矿W01运输顺槽老空水预测及探放技术研究

2021-07-24张鹏

现代矿业 2021年6期

张鹏

（中煤第七十一工程处有限责任公司）

沙尔贡煤矿现代化改造项目是中国政府提供优惠贷款支持建设的项目，是乌兹别克米尔济约耶夫总统与习近平主席达成的重要经贸成果之一。沙尔贡煤矿项目是“一带一路”上的精品工程、安全工程、放心工程，是乌兹别克斯坦第一个现代化矿井，是中国优势产能和乌煤矿转型升级的有机结合。作为乌兹别克斯坦第一个现代化矿井，乌国几乎无成熟的防治水理论和可靠的老空水防治经验。所以主要依靠国内的理论，技术和经验进行老空水疏放工作。与国内煤矿老空水相比，裂隙水、灰岩水、钻孔水、断层水等发生重大事故的频率大很多，因此，该矿老空水水害防治成为了重中之重。沙尔贡煤矿W01上覆采空区位置不准确、不详细，给W01巷道掘进带来了极大的安全隐患，相比较国内综采工作面留下的采空区，疏放水难度更大。W01岩巷为本工程项目关键线路，准确钻进采空区，快速疏放采空区积水，有利于安全生产和缩短工期［1-3］。

1 项目概况

沙尔贡煤矿位于乌兹别克斯坦共和国苏尔汉河州萨雷阿西亚区沙尔贡市，该矿于1958年建成投产，采用多水平小阶段爆破采煤法，年生产能力约4.5万t。1991年乌兹别克斯坦独立后，矿井生产能力逐步萎缩，目前井下处于停产状态。按照乌兹别克斯坦政府的相关规划，拟将沙尔贡煤矿原来年产16万t的矿井改造为年产90万t的矿井。

矿井单一开采煤层为M煤层，煤层赋存标高为+925~+2 200 m，煤层倾角为45°~48°，煤层厚度为3.85~13.68 m，平均7.57 m。

W01工作面运输顺槽属于I上采区，位于中央块段且和6#平硐贯通，设计长度为1 166 m，巷道外段K0+000～+312 m坡度为0°，K0+312～+488.6 m为8°。中央块段开采水平+1 430 m处的最小涌水量为200~300 m3/h，最大涌水量为400 m3/h。中央块段涌水量详见表1。

2 水文地质

本井田共划分6个含水层。单一开采煤层“M”煤层位于森加尔岩系含煤亚组夹层间，主要岩系厚度为24 m，其中粉砂岩、泥岩与煤为不透水层。地下水综合体是裂隙岩层型，水力互联为承压型，岩层渗透系数为0.04 m/s，根据国内的标准，该岩层为强渗透性岩层。但是下部灰岩埋藏距离W01工作面运输顺槽较远，发生灰岩水害和裂隙水害概率低。

W01工作面运输顺槽K0+312～+571.6 m段上覆岩（煤）层共5个采空区和4条老巷，从上至下、从左至右依次编号1#采空区（平面面积为9 455 m2）、2#采空区（平面面积为3 277 m2）、3#采空区（平面面积为5 357 m2）、4#采空区（平面面积为4 554 m2）和5#采空区（平面面积为1 469 m2），采空区总面积为24 112 m2。其中1#、3#、4#和5#采空区通过老巷和+1 430 m西大巷相互贯通，+1 430 m西大巷的积水通过6#平硐自流出井。W01工作面运输顺槽K0+327～+511 m段巷道距采空区底板最小法线距离为17~25 m，老空区水害安全隐患较大（图1）。

3 老空区积水面积计算和积水量预测

3.1 探放水“3线”确定

确定警戒线、探水线、积水线是老空区探放水工程的核心部分，其设计编制和工程实施都是围绕这3线进行的。

本工程中W01工作面运输顺槽巷道北帮共5个回采区域，可以将探放水工程分为2个阶段进行，钻孔分组布置。

第一阶段最靠近W01迎头方向的老空巷道是确定积水线的关键，煤层倾角45°，巷道平均坡度16°，该巷道没有名称，为了后面叙述方便暂称之为A巷道，A巷道为20多年的老空巷道，顶部与6#平硐的接口已经封闭，但是它与其他老巷贯通，可以通达+1 430 m西大巷，该巷道常年有水流出，平均涌水量为90 m3/h，最大为150 m3/h，这是确定积水最高点标高的关键。因为巷道坡度较大，不考虑中间起伏情况，可以将积水最高点标高定为+1 430 m，积水最低点标高定为+1 307 m，为巷道下山最低点。注意事项如下。

（1）误把顶板标高当作积水边缘。积水老空区中有一边肯定是巷道的顶底板，但是具体是顶板还是底板，还要考虑巷道的具体位置、煤层倾伏。

（2）不清楚探水孔终孔标高与积水边缘标高的关系。正常来讲，探水孔终孔标高穿过老空区底板标高就行，即打透采空区底板，所以正常情况应当按照惯例绘制采空区巷道剖面图，而非想当然的确定一个标高。

A巷道应该确定为底板，投影面向上，根据式（1）计算：

式中，L为平面投影长度，m；h为水头值高差，m；α为煤层倾角。

确定了顶板上积水线，具体见图2。正常外推积水线30 m和60 m分别确定为探水线和警戒线，与W01巷道分别相交于K0+280 m、K0+197 m处。

第二阶段以直接和+1 430 m西大巷相连的巷道为界，该巷道也没有名称，为了后面叙述方便暂称之为B巷道。因为巷道坡度较大，不考虑中间起伏情况，可以将积水最高点标高定为+1 430 m，积水最低点标高定为巷道下山最低点+1 340 m。第二阶段的“3线”位置确定方法和第一阶段一样，正常外推积水线30 m和60 m分别确定为探水线和警戒线，与W01巷道分别相交于K0+415.6 m、K0+331 m处，具体见图3。

3.2 积水面积和积水量计算

采空区积水面积就是积水线范围内的面积，在AutoCAD图上可以直接量出，第一阶段积水面积为18 191 m2，第二阶段为17 261 m2，总面积为35 452 m2。

采空区巷道积水量可以通过式（2）计算：

式中，W为积水量，m3；K为充水系数；M为煤层厚度，m；S为积水面积，m2。

充水系数按0.1考虑，则根据式（2），采空区第一阶段积水量W1=16 724 m3，采空区第二阶段积水量W2=16 724 m3，总积水量为W=32 593 m3。

3.3 采空区补给水情况

项目开工后，定期对6#平硐施工区+1 430 m水平东翼、西翼及6#平硐K0+960 m处的补给水量进行测定，实测数据详见表2。

4 钻孔探放水

4.1 钻孔及放水施工

（1）在W01运输顺槽掘进工作面探放上覆岩层老空水的关键是根据老空水的积水区确定钻孔的落点。事实上，沙尔贡矿资料不详，没有巷道实测剖面图和工作面采后底板实测平面等高线图，不可能得出巷道中的低洼点，但是煤层倾角平均约为45°，因此，不考虑国内综采面每个巷道有高低起伏及工作面上下两巷之间对应的高低关系，所有采空区和老巷直接是联通的，因此，可以简单地认为是单斜构造。不考虑积水点多而且分散，只考虑水头最低点为积水点。施工中W01运输顺槽掘进工作面第一阶段第三组老空水探放孔及钻场布置情况如表3及图4所示。

（2）钻场选择。老空区积水点是探放水钻孔的靶区，探放水钻孔的钻场无需修建专门的钻窝，直接在W01运输顺槽迎头打钻，巷道宽为4.2 m，探放水期间钻探设备不会影响巷道的通行，后路畅通［4-7］。

（3）钻孔施工。+1 430 m西大巷和采空区贯通，常年涌水，有毒有害气体基本溢出，所以采空区水不承压，总水头值=流速水头+位置水头+压力水头，据推算老空水的水头值不小于1.1 MPa。根据预计水头，开孔后下入长度为10 m的ϕ108 mm地质套管，进行耐压试验，试验压力为1.5 MPa。

（4）控制性放水。揭露老空水后钻具退出，在完成水压、涌水量等测试工作后，要利用孔口阀门进行控制放水，水量大时要适当关小阀门，直至最后将水放干。掘进工作面距离临时水仓142 m，放水孔可将水排入水沟，通过水沟流入水仓［8-10］。

老空水放水中经常会出现钻孔堵塞现象，其原因是老空区底部泥质物会被老空水冲入钻孔中，因此应当经常透孔，保证疏放质量［11-12］。

4.2 排水系统

（1）在W01运输顺槽K0+109 m处巷道南帮拟设临时水仓，采用三级排水。采空区积水由工作面放水位置经巷道水沟自流至临时水仓，再由临时水仓抽排至6#平硐水沟自然流出。

（2）水仓容水量为200 m³，配备4台BQS110-200/2-132/N型污水泵，扬程100 m，流量110 m3/h。从工作面流至临时水仓途中设置3道沉淀系统以减少排水过程中清理淤泥难度。

（3）根据理论计算和实践经验确定ϕ159 mm管道，最优排水速度为2~3 m/s，依据排水能力需要敷设2趟排水管路。

5 工程效果及后续工程建议

5.1 工程效果

W01运输顺槽工作面先后施工了3组探放水钻孔，分别在K0+207 m，K0+251 m，K0+301 m处，共计完成12个钻孔，K0+301 m处设计4个钻孔，正在施工，目前来看，疏放特别困难，主要原因：①沙尔贡煤矿地质资料不准确，老空区位置很有可能不对；②打钻人员经验不足，多次因为埋套管长度不符合《煤矿防治水细则》要求，而不能正常钻进。正常钻孔偏斜太大，不符合要求；③到设计位置的钻孔未穿透采空区。所以到目前为止没有放出采空区水。