关闭煤矿高位采空积水综合治理技术研究与应用
——以小溪沟煤矿为例

王东升，吴 强，杨百顺，靳 晓，凌志迁，何君菡

(1.重大危险源测控四川省重点实验室，四川省成都市，610045；2.四川省安科技术咨询有限公司，四川省成都市，610045；3.四川省安全科学技术研究院，四川省成都市，610045)

0 引言

随着国家经济供给侧结构性改革的不断推进和能源结构的进一步优化，很多开采规模小、采矿地质条件差、开采技术落后的煤矿企业关闭退出市场。据统计，近10年四川省超过1 000个煤矿关闭[1]，煤矿关闭后停止了抽排水，井下巷道及采空区遗留大量积水。由于以前的小煤矿存在超层越界、无序开采、技术资料不清等情况，关闭后煤矿井下大量积水对相邻保留煤矿构成水害威胁[2-3]。

我国在煤矿采空区水探查、治理等方面开展了许多研究并取得了不少成功经验[4-11]，形成了相对完善的采空区水防治“查全、探清、放净、验准”四步工作法。针对矿井技术资料不准的情况，查清采空区积水情况并结合矿井实际情况采取恰当的水害治理技术方案是采空区水治理成功的关键。

小溪沟煤矿东翼煤炭资源受相邻关闭的葡萄石煤矿(西井)高位采空积水威胁，而葡萄石煤矿(西井)技术资料不准，因此，查清葡萄石煤矿(西井)老空积水范围、积水标高、积水量等情况，再结合矿井开拓部署情况制定治灾工程技术方案，疏放葡萄石煤矿(西井)采空区积水，对小溪沟煤矿东翼煤炭资源安全回采具有重要意义。

1 工程概况

小溪沟煤矿位于四川省旺苍县小溪沟井田，主要含煤地层为三叠系上统须家河组第五段(T3xj5)，一般含煤5层，自上而下分别为5、9、10、11、12号煤层，煤层间距依次为53.0、28.0、1.4、26.0 m，各煤层顶板为粉砂岩或泥质粉砂岩，底板为泥岩或粉砂质泥岩。小溪沟煤矿开采标高+550～+235 m的5、9号煤层。葡萄石煤矿(西井)与小溪沟煤矿紧邻，位于小溪沟煤矿东翼浅部，开采标高+550～+424 m的5、9、10、11、12号煤层，两矿矿区范围不重叠。

葡萄石煤矿(西井)采用平硐+暗斜井开拓，主平硐井口标高为+481 m，该矿因煤炭资源枯竭于2014年6月关闭。目前，小溪沟煤矿地测人员对葡萄石煤矿(西井)井下部分巷道进行了实测，结果显示葡萄石煤矿(西井)+424 m水平主水仓入口处巷道底板标高为+415 m，说明葡萄石煤矿(西井)开采技术资料不准，其实际开采标高可能为+550～+415 m。葡萄石煤矿(西井)关闭后，井下巷道及采空区遗留了大量积水，其采空积水区位于小溪沟煤矿东翼煤炭资源高位，严重威胁小溪沟煤矿东翼煤炭资源的安全回采。

2 关闭煤矿采空积水情况

2.1 葡萄石煤矿(西井)采空积水探测

小溪沟煤矿在实测葡萄石煤矿(西井)井巷工程时，由于葡萄石煤矿(西井)已进入关闭程序，其井下大部分巷道已密闭无法进入，因此葡萄石煤矿实际开采下界标高不清楚。为了查清葡萄石煤矿(西井)开采下界标高并准确圈定采空积水区范围，采用地面瞬变电磁法在葡萄石煤矿(西井)积水区域对应地表布置4条测线，共计180个观测点，6个检查点，测线布置如图1所示。

图1 地面物探测线布置

根据瞬变电磁法测定的岩层电阻率等值线图，结合葡萄石煤矿(西井)采掘工程情况和矿区地质条件，推断葡萄石煤矿(西井)矿区范围内存在含水区14处，节理裂隙异常16处。对矿井存在的水患区分成极易形成水患区、易形成水患区、可能形成水患区、不易形成水患区4类，其中，极易形成水患区、易形成水患区的危险性很大，推测为采空积水区。地面物探结果如图2所示，青色圈定范围(YH1、YH2)为推测积水区域及顶底板标高，红色圈定范围(J1～J5)为推测裂隙异常发育区。

图2 地面物探结果

由图2可知，探测水患区域最低底板标高为+416 m，与实测的葡萄石煤矿(西井)开采下界标高+415 m基本一致，因此，可以确定葡萄石煤矿(西井)采空积水区最低标高为+415 m。

2.2 采空积水量估算

根据葡萄石煤矿(西井)采掘工程平面图、储量核实报告、闭坑报告、地面瞬变电磁勘探报告等资料，分析该矿5、9、11、12号煤层+415 m标高以上已基本采空，10号煤层+450 m标高以上进行了部分开采。采用式(1)估算葡萄石煤矿(西井)采空积水量：

(1)

式中：Q积——采空区总积水量，m3；

Q采——某一层煤的采空区积水量，m3；

Q巷——巷道积水量，m3；

K——充水系数，采空区取0.35，巷道取0.9；

M——煤层厚度，5、9、10、11、12号煤层分别为1.32、0.60、0.34、0.33、0.65 m；

S——采空积水区面积，5、9、10、11、12号煤层分别为61 225、70 950、16 750、46 550、71 050 m2；

α——煤层倾角，取40°；

W——巷道断面积，取5 m2；

L——积水巷道长度，取3 600 m。

根据式(1)，可得各煤层采空积水总量为87 100 m3，巷道积水总量为16 200 m3，因此，葡萄石煤矿(西井)采空区总积水量为10.33万m3，积水区下界标高为+415 m，上界标高为葡萄石煤矿(西井)主平硐井口标高+481 m。

3 防隔水煤柱留设设计

葡萄石煤矿(西井)与小溪沟煤矿的空间关系如图3所示，其高位采空积水对小溪沟煤矿东翼煤炭资源回采构成严重水患威胁。

图3 葡萄石煤矿(西井)高位采空积水与小溪沟煤矿空间关系

小溪沟煤矿针对葡萄石煤矿(西井)采空积水情况，采取了留设防隔水煤柱的方法进行水体下采煤。按照矿井原防隔水煤柱设计在东翼+300 m水平至葡萄石煤矿(西井)积水下界标高+415 m之间留设防隔水煤柱，但这将造成东翼煤炭资源严重浪费。

葡萄石煤矿(西井)采空水补给条件差，根据小溪沟煤矿采掘实际，研究确定在+370 m区段施工专用放水巷并采用钻孔疏放葡萄石煤矿(西井)积水是最佳方案，按此方案重新设计防隔水煤柱。

小溪沟煤矿东翼专用放水巷设计为异形断面，尺寸为3 200 mm×2 800 mm(宽×高)，净断面7.4 m2。因此，东翼专用放水巷与葡萄石煤矿(西井)采空积水区的最小安全距离为28 m，即小溪沟煤矿东翼留设28 m煤柱即可满足安全要求。小溪沟煤矿专用放水巷设计标高为+370 m，坡度为0.5%，长度1 300 m，专用放水巷掘进至矿井东翼边界时标高为+376.5 m。为了进一步确保安全，综合考虑，将+380 m标高以上留设为东翼葡萄石煤矿(西井)采空积水影响区防隔水煤柱，实际防隔水煤柱尺寸为54 m。

4 关闭煤矿积水治理技术方案

根据小溪沟煤矿实际情况，采用在东翼施工专用放水巷并通过钻孔疏放相邻关闭葡萄石煤矿(西井)采空积水的技术方案，该治水方案包括水闸门、专用放水巷、井下双探、放水孔、排水系统改造等内容。

4.1 水闸门

水闸门位于小溪沟煤矿+370 m专用放水巷，处于岩石坚硬、稳定、完整致密的岩层中，水闸门形状为楔形，根据计算，墙体长度为2 m，设计水压为1.1 MPa。为防止水闸门因外部压力、水泡等原因遭受损坏，在水闸门两端巷道采用C25混凝土整体砌碹加固支护，厚度500 mm，长度5 m。根据水闸门选型计算结果，结合市场情况选用MMB型矿用水闸门，门扇尺寸为2 000 mm×2 400 mm(宽×高)，轨距600 mm，标称压力1.6 MPa，允许压力2 MPa。水闸门平面布置如图4所示。

图4 水闸门平面布置

4.2 专用放水巷

在+370 m标高沿9号煤层底板往东采取“先探后掘”方法掘进至小溪沟煤矿东翼矿井边界(1号钻场处)，然后转向往9号煤层掘进石门，揭穿9号煤层后沿9号煤层往东掘进至矿井边界。专用放水巷岩巷段长300 m，煤巷段长1 300 m，均采用异形断面，坡度为+0.5%，尺寸为3 200 mm×2 800 mm(宽×高)，净断面7.4 m2。

为解决专用放水巷后期通风问题，在+300 m标高掘进一条进风巷，滞后专用放水巷200 m，掘进至矿井边界后，沿9号煤层掘进回风上山，与专用放水巷贯通。该进风巷采用异形断面，坡度为+0.5%，尺寸为3 400 mm×2 800 mm(宽×高)，净断面8.1 m2。

4.3 井下双探

专用放水巷掘进时必须“先探后掘”。首先，采用矿用本安型瞬变电磁仪在专用放水巷施工前进行超前探测查疑，共布设20组超前探测点，探测方向为专用放水巷前方、上下及周边，探测深度为120 m；其次，采用钻探进行验证，共设计32组探水孔，每组至少3个孔，终孔位置投影到巷道法线位置超过80 m，允许掘进50 m，保留超前安全距30 m。要根据双探结果及时调整专用放水巷的施工，确保专用放水巷安全掘进，并再次核查葡萄石煤矿(西井)采空积水下边界，为放水孔施工提供依据。

4.4 放水孔

在小溪沟煤矿9号煤层底板巷石门开口处布置1号钻场，对葡萄石煤矿(西井)5、9、11、12号煤层老空区分别实施首次放水，根据放水钻孔揭穿老空区的标高，放干此标高以上的积水。1号钻场距葡萄石煤矿(西井)采空区边界160 m，1号钻场设计6个放水钻孔，6个放水钻孔的施工顺序为5F1-1孔→5F1-2孔→5F1-3孔→9F-1孔→11F-1孔→12F-1孔，1号钻场放水钻孔布置如图5所示。在专用放水巷进入9号煤层124 m处布置2号钻场，2号钻场以东每隔100 m布置1个钻场，共计布置13个钻场。排放水钻孔施工完后要根据孔内出水量大小控制闸阀，排水量控制在100 m3/h左右。

图5 1号钻场钻孔布置

4.5 排水系统改造

小溪沟煤矿正常涌水量为111 m3/h，原+300 m 水平水泵房配备有3台MD155-30×10水泵，水泵额定流量155 m3/h，能满足矿井正常排水需求，钻孔放水时矿井正常涌水量将增加100 m3/h，原水泵已不能满足矿井正常抽排水需求，需要对原排水系统进行改造，经计算，将+300 m水平2台MD155-30×10水泵更换为2台MD280-43×7型水泵可满足排放葡萄石煤矿(西井)积水和矿井正常排水需求。

5 治水效果

小溪沟煤矿通过实施探放葡萄石煤矿(西井)积水工程，共计排放葡萄石煤矿(西井)采空积水约9.86万m3，经物探及钻探验证，成功疏干了葡萄石煤矿(西井)采空积水，解放了小溪沟煤矿东翼63.36万t积水影响区煤炭资源，治灾工程总费用为493万元，治灾工程成本仅7.8元/t，经济效益显著。

6 结论

(1)采用地面瞬变电磁法对关闭的葡萄石煤矿(西井)积水情况进行核查，查清了关闭煤矿采空积水范围、积水标高、积水量等，为探放关闭煤矿积水时放水巷和放水钻孔布置提供依据。

(2)根据探放水技术方案，对关闭的葡萄石煤矿(西井)积水影响区防隔水煤柱尺寸进行计算，得出防隔水煤柱最小28 m即可满足要求，根据矿井采掘部署现状，将+380 m标高以上留设为防隔水煤柱，实际防隔水煤柱宽度为54 m，进一步确保了探放水工程施工安全。

(3)小溪沟煤矿通过实施治水工程，成功疏干了相邻关闭煤矿高位采空积水，消除了开采东翼煤炭资源时的安全隐患，治灾成本仅为7.8元/t，经济效益显著。