1、季节性水体下急倾斜煤层的开采与治理南阳矿业公司前进矿是湖南煤业集团公司骨干井，矿井核定能力为 26 万 t/a，但其在湘南地区属水患最为严重的矿井之一，雨季期间大量地表水渗入井下严重制约着安全生产。2008 年来，南阳矿业公司对前进矿神仙洞区域采取了“移山填洼、管路泄洪、注浆护沟、开采不断、治理不停” 的措施，取得了显著成效，同时也为季节性水体下煤层开采与治理积累了一定实践经验。图为南阳矿业公司现场神仙洞概况神仙洞位于前进矿矿井北翼，地势低洼，三面环山，西面开口，汇水面积约 10.1km2，最大汇水量达9 432m3/h，该区域曾因小煤矿的掠夺式开采，形成了直径达 200m 的塌陷盆地，雨季时
2、该塌陷盆地最大积水量约 9.5 万 m3。1992 年、1997 年和 2006 年曾因持续强降雨，地表汇水积聚于该塌陷盆地不能及时疏走，导致地表水通过小煤矿塌陷、裂隙、废巷和采空区倒灌前进煤矿井下，造成了前进煤矿井下工作面突水乃至淹井事故。神仙洞区域下部是 146 采区南段，煤层赋存条件好，煤层倾角 6875，平均倾角 72，煤层厚度在 3.5m58m 之间，平均厚 23.8m，-20m-90m 水平是一个大煤包，经估算 146 采区南段-36m-120m 资源储量为 95.5 万 t。该区域浅部地层为第四纪冲积物，潜水位较高，一般距地面 23m ，有丰富的地表水补给。煤系地层属不含水层，裂
3、隙发育中等偏弱，但由于之前小煤窑的掠夺式开采，致使煤层浅部破坏殆尽，水文地质条件变得极其复杂。采动影响对地面沉降的影响该采区开采上限为-36m 水平，下限为-120m 水平，平均煤厚 23.8m，煤层平均倾角 72，属急倾斜煤层，平均走向长度 330m。上覆岩层为中硬岩性，在-36m-120m 段充分采动情况下，采用概率积分法计算，可得出地表最大下沉值为 12.89m，即地表将形成 12.89m 左右的沉陷盆地，水沟、公路涵洞将严重受损而无法排水。对上覆岩层影响分析地下煤层开采后，上覆岩层将产生“三带”(冒落带、裂隙带、弯曲带)。为了掌握采区导水裂缝带的发育高度，地面水体、导水裂缝带、老窑积水
4、是否形成通路，根据“三下” 采煤规程提供的计算公式，计算出采区导水裂缝带高度为 234.1m。而神仙洞地下采煤按下限标高为 -120m，地面标高为+95m 计算，下山采深为 215m，由此可见，即使不发生抽冒，导水裂缝带也到达地表。地面防治水施工技术措施南阳矿业公司采取了“移山填洼、地下注浆 ”及系列配套的源头防治水措施，对神仙洞区域复杂积水区下煤层进行了科学合理的开采与治理。增设公路涵洞南阳矿业公司在原涵洞南测 10m 处增设了 1 个涵洞，以加大过水断面。新涵洞为长方体框架涵洞结构，内空长、宽、高分别为 8m、5m、3.5m，壁厚顶、底、侧分别为 0.35m、0.4m、0.45m，采用钢筋
5、混凝土预制，成形后以机械顶进方式施工。框架预制分底、侧、顶 3 次完成，后背制作与滑板连成一体，机械顶进严格按设定的方向和角度操作，进水口涵底标高与公路横沟底面标高一致，出水口高于下游小溪底面，流水坡度为 15。水沟改造与治理1.合理布置水沟改造的断面和尺寸。水沟应为槽形，改造前后的断面尺寸如下表：2.采用双壳结构与二次施工工艺。水沟外壳为料石砌墙，内衬为钢筋混凝土浇制。第一次料石砌墙以抗风化的细砂岩为材质，要求砌体大小均匀，墙体挂线作业，墙缝水泥浆胶结干涸，严格按规定要求进行7 天洒水养护期。第二次施工内衬时，先用螺纹钢和铁丝扎制骨架，砼捣固无气泡，内衬每 30m 处设伸缩缝一道，缝内用止水
6、带密封。注浆钻孔布置及注浆方法 为减少采动诱发的地面水沟变形破坏，沿煤层露头线顶板侧的水沟旁每 20m 布置钻孔一个，钻孔采用斜孔方式钻入水沟底板之下，俯角 6070，孔深 3040m ，以粉煤灰、水泥混合浆液为注浆材料，向孔内充填注浆。初次注浆后，分析计算地表岩移观测资料，当达到允许下沉临界值则进行 2 次乃至多次扫孔复注，直至开采结束沟底稳定。对“神仙洞” 实施治理以来，共打施工钻孔 111 个，钻孔进尺 5 592.69m，注浆 9 277.5m3。通过注浆避免了南、北水沟和公路发生抽冒的情况，减少了公路的下沉量，并在填堵导水裂隙方面起到了很好的效果。高压旋喷技术的施工与应用 采用高压旋
7、喷技术处理地基具有针对性，高压可将围岩孔隙中的水分、空气强行挤出，旋喷有利于提高喷注质量，使浆液均匀灌入围岩孔隙之中。高压旋喷施工方法为先用钻机造孔，钻完孔后水力洗孔，再往带孔钻杆中注入浆液，加压旋转钻具，使浆液压入岩土层孔隙中。高压旋喷压密可以分层处理，分为采空区上部岩土层的处理，以及开采空洞和塌落体的处理。空体和塌落体的灌浆压密对象是空体以下-10m、空体及空体上顶面 10m 范围内的塌落体覆盖物。塌陷区回填前进煤矿 146 采区南段煤层赋存条件好，煤层倾角大，如果该区段煤层开采至-120m 水平，根据计算其导水裂隙高度已至地表，最大下沉深度将达到 12.89m，前进煤矿神仙洞区域将形成一
8、个面积约 9 万m2，最大深度达 17m 的凹陷盆地。一旦洪水来临，这里将成为一片汪洋，地表水经导水裂隙和垮落带倒灌入井下，这将是一把悬在前进矿开采 146 采区南段煤层安全生产头上的利剑。为消除这一隐患，南阳矿业公司采取预填土方，变汇水盆地为山包，即在前进煤矿神仙洞塌陷盆地范围根据地势情况，预先填黄土，并夯实，不使沉降区积水和漏水，填土要求形成向水沟的自然斜坡，能将神仙洞区域的大气降水汇聚水沟排出。在神仙洞沉降中心区堆高填土，要求高出水沟面 34m ，形成山包，使沉降区不能积水。截至 2011 年已填土 66 万 m3。经多次预填土，在“ 神仙洞”区域最大沉降量达 11.3m 的情况下，神仙
9、洞塌陷沉降区未形成凹陷盆地，预填的土方区域高出水沟面 24m，如此保证了沉降区不积水、不漏水，消除了地表倒灌井下的水患威胁。以 U 型钢板水槽代替水沟泄洪神仙洞区域防洪工程的南、北水沟和南支沟大部分位于沉降区，由于井下煤层的开采，造成地表持续下沉，钢筋混泥土构筑的水沟破坏严重。水沟经常面临着“5 天一小修，半月一大修” ，甚至要重新构筑水沟。这样维修费用极大，且水沟漏水现象严重，给井下安全生产带来隐患。为了解决这一难题，南阳矿业公司提出了在下沉活跃区段的水沟以 U 型钢板水槽代替水沟泄洪(钢板水槽与原水沟断面一样) 。这样既节约了维护费用，维护也会比较简单，同时保证了疏水时不因地表下沉水沟遭破
10、坏漏水，极大地减少了井下工作面的涌水量，解除了工作面突水的安全隐患。巷道布置与采煤方法合理部署工程，优化采煤方法是治理水患取得实效的关键所在。合理布置巷道南阳矿业公司将 146 采区南段开采上限降至 -36m 水平，开采下限维持-120m 水平不变，分别在-36m和-80m 标高布置底板总回风巷和中巷，将采区划分为 2 个区段，利用现有 146 采区轨道上山提升，在-120m 水平新掘两条伪倾斜溜煤山与底板中巷、总回风连通构成系统。该区底板总风巷、中巷采用锚网喷支护，并用平巷或上山与两相邻采区通往风井的巷道连通，作为安全出口。总风巷、中巷用石门与煤层连通。工作面溜子道沿煤层顶板掘进，回风巷沿底
11、板掘进，根据煤层厚度确定两顺槽高差，保证工作面溜煤坡度不低于 20。优化采煤方法采用人工假顶(竹帘配合钢丝绳 )斜切分层采煤法。回采工作面采用单体配绞接梁支护。排距 0.7m，柱距 0.8m。最小控顶距 1.4m，最大控顶距 2.1m。放顶前要用废钢丝绳和竹帘铺底。第一区段(-36-80m)各分层之间不留顶煤。分层顺槽和开切眼必须沿人工假顶掘进。各分层之间实行间歇回采，一般间隔时间不小于 6 个月。试采区只允许一个回采工作面生产。井下防治水施工技术与措施堵住地面源头水患后，加强井下防治水的治理，采取有效举措，做到标本兼治是有效治理和安全开采的有力保障。严格执行局部探放水1.岩巷探放水具体举措。
12、以岩石钻机作为探水工具，从-36m 总回风巷沿走向每隔 40m 掘一石门作为探水钻场，后期作工作面回风石门。由石门钻场向 6 煤层打探水孔，钻孔终孔标高要基本相同，水平间距不大于 2m。钻场与煤层之间应留 6m 以上岩柱，探钻时要下套管，探出的老窑水从石门经总回风巷水沟排放。2.实行煤巷探放水。以电煤钻作为水文地质调查工具进行辅助探钻，以岩石电钻作为探放水工具进行有效疏水。煤巷掘进坚持有掘必探，探水孔 3 个一组呈扇形布置，超前距为 10m。回采过程视水情变化有针对性地进行补探，发现异常或险情及时停钻或撤人，并向调度室汇报，如有突水危险立即启动突水预警系统。加强巷道疏水1.实行双切眼法。工作面
13、布置时，掘 2 条切眼，切眼间距为 5m 左右，中间掘多条联络巷，一条切眼用于排水，另一条切眼用于正常生产，联络巷便于人员撤离。2.采用 3 引巷法。工作面上引巷保持不变，设置 2 条下引巷，其高差为 2m 左右，中间以多条联络巷连通，一条作为溜子道用于正常生产，另一条用于排水兼作下分层的回风巷。3.在溜煤上山增设排水上山法。平行溜煤上山，在其下部加掘一条排水上山，中间以联络巷连通，实行煤水分流，溜煤上山用于溜煤，排水上山用于排水。4.在溜子道加底板平巷法。在煤层底板中，平行溜子道加掘一条岩巷，两者高差为 1.6m 左右，中间以联络巷贯通，溜子道用于正常生产，底板平巷用于排水。完善水灾预警系统
14、在井口矿灯房设置预警预报黑板，用于披露信息。外部与气象、供电部门建立信息热线，内部特设专门地表巡水员。井下标明各作业点水灾事故的避灾路线，主要巷道转弯处设置指路牌，在开采前和开采期间进行不定期模拟演习。在井下打钻探水时，在掘进和采煤工作面附近安装信号发送装置。矿井所有作业地点和矿井调度室设置声光信号，并明确信号意义。提升矿井供排能力井下实行双回路供电，对-120m 北大巷水闸门和中央水闸门进行注浆加固，在-120m 中央泵房配置6 台水泵，在水仓安装大型潜水泵 1 台，7 台水泵总排水能力为 2 300m3/h，设置排水管路 4 趟，水仓实际容量必须达到 2 797m3 以上，并加强搞好日常维护和管理，确保矿井供排能力正常，具备抵御水灾的能力。与此同时，还要对水仓、沉淀池、大巷水沟在每年雨季前进行一次全面清理。不仅如此，需加强水泵、水管、闸阀、配电设备和输电线路的检查维修，对水泵进行定期全负荷试验，对神仙洞地面钢板水槽和排洪管不定期进行起吊升高，发现问题及时处理。
