煤矿老采空区水害防治技术分析_轩大洋

文章编号：1008－3731（2008）04－0038－04

我国矿井水文地质类型复杂多样，受地表水体及地下富含水层威胁的煤矿较多，防治水任务艰巨。煤矿老采空区水害具有突发性强、水量大、来势猛、破坏性大且有腐蚀性等特点［1］，对矿井采掘工作面人员及安全生产构成极大威胁，轻则使工作面、采区停产，重则可能导致开采水平甚至全矿井被淹。资料显示［2］，从2000至2003年，全国小型煤矿共发生8起特大水害事故，其中老采空区水害有5起，占62.5%。如2003年7月13日，河南省登封市白坪煤窑沟村东风煤矿“7·13”特大透水事故，造成

21人死亡，其直接原因即为老采空区出水。2005年，广东大兴煤矿特大透水事故造成123人死亡，

直接原因就是防水煤柱失稳造成老采空区突水。

2007年3月15日，河南鹤煤集团下属中泰矿业公司33051下巷掘进头发生突水事故，造成5人死亡，直接原因为相邻的3303采面老巷出水。

1积水老采空区分类

由于历史原因，同一井田可能先后经历不同时

期的开发，如我国多处井田在早期均遭受过小煤窑的掘采。由此导致在建矿之前，井田范围内已存在一些老采空区、老巷。而矿井进入生产阶段后，正常回采时也形成新的采空区。因此，对生产矿井而言，按采空区形成与矿井开拓在时间上的先后关系，将其井田范围内的采空区分为两类：开拓前已存在的

老窑和本矿正常回采形成的采空区。

1.1老窑

指在本矿井开拓前已存在的煤层采空区或由

于涌水量过大等原因而停采已久的老井或巷道。其主要特征是：因缺乏相应的地质、开拓图件等资料，造成老窑分布状况及积水情况不明；空间形状不规则；多数废弃已久，积水量大，且酸性很强；限于小煤窑的开采技术，老窑多数位于井田浅部，易与地表水体或松散层水体发生联系。

1.2本矿井正常回采形成的采空区

采面正常推进后形成的采空区。其主要特征

是：分布情况明确，能在矿井充水性图上直接反映；空间形状多数为规则的薄板状长方体；可位于井田浅部或深部。

2老采空区积水的原因

煤矿开采的主要作业环节为开掘井巷和回采

煤层，在此过程中必然形成一定的地下空间。同时由于采掘工程不可避免地要接近、揭露某些含水层（体），因此当这些作业场所处于含水层（体）的水位以下而承受一定的静水压力时，水就会失去原有的平衡条件而涌入井巷或采场［3］。待采动过后一定时间，就形成了老采空区积水。

煤层开采后，工作面采空区上覆岩层将产生移动、破坏。按岩层破坏后岩块的块度、排列方式、连

煤矿老采空区水害防治技术分析

轩大洋，许家林

（中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州

221116)

摘要：从采空区积水形成与井田开拓在时间上的先后关系出发，将老采空区分为井田开拓

前已存在的老窑和矿井正常回采时形成的采空区。通过采空区上覆岩层的“三带”理论，分析了水体下采煤时采空区积水形成的原因。针对不同类型的老采空区，分析了防治积水的关键点和措施。

关键词：老窑；采空区；积水；防治中图分类号：TD745

文献标识码：B

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2007CB209400）

煤炭科技

COAL SCIENCE ＆TECHNOLOGY MAGAZINE

2008年第4期No．4

2008

实用技术

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续性及透水透泥砂能力等，可将其分为三带：自下而上依次为冒落带、裂缝带、弯曲带（见图1）［4］。大量观测及生产实践表明，弯曲带岩层基本不具有导水性，且一般情况下还可作为水体下采煤时的保护层。而裂缝带与冒落带岩层由于具有大量裂隙或破碎成块，当其联通上覆含水层时，易成为水体下渗的良好通道。故常把此两带合称为导水裂隙带。

当煤层开采后形成的导水裂隙带波及甚至进入上覆含水层（体）时，就可能使水体向下流入采空区而使其大量积水。同时在采动的影响之下，地表往往发生沉陷，尤其是煤层赋存较浅又有地下水作用时更为明显。由于沉陷导致的塌陷和裂缝往往是降雨或河水灌入井下的通道，易造成采空区的积水。早期的小井或老窑多位于井田浅部，因而易于通过地表裂缝沟通水体，形成老窑积水。

采动引起顶板岩层移动只是采空区积水的成因之一，也是水体下采煤时的主要障碍。其他因素如工作面进入导水钻孔区域范围或生产采区内有未查明的含水断层、陷落柱也能造成采空区大量积水。此外，采动造成煤层底板破坏也会使含水层的水沿一定的导水构造充入采空区而形成大量积水。

3老采空区水害的防治

3.1老窑水的防治

由于老窑多缺乏各种资料，导致部分老窑分布及积水状况不明，由此给老窑水的防治带来很大困难。因而做好老窑的排查工作成了防治积水的关键。为此需做好矿井水文地质补充调查和掘进时进行探放水两项工作，在进行水文地质补充调查时，应尽可能多地摸清老窑分布状况及积水情况，做好记录，并在相应的图件上标示清楚，为矿井生产提供依据。井巷掘进过程中，坚持“有疑必探”“先探后掘”的原则，一旦接近老窑即对其进行处理，防止因探水工作不到位而使老窑水溃入工作面造成事故。

对老窑的分布状况掌握较为详细后，就可在采掘活动中根据实际情况、按照一定原则对老窑积水进行处理，大体上有留煤岩柱回避和主动疏干两种方法。选择的依据主要是老窑是否位于采掘工程影响范围内。

3.1.1留煤岩柱回避

鉴于老窑水及其涌出或突出时的特点，为了防治其积水，应尽可能地在有关井巷设计、施工和工作面回采时采取回避和限制措施，使其少受或不受采掘影响，保持自身水力平衡，以免老窑水涌入采面或井巷。这对于降低矿井排水费用，保障安全生产具有重要意义。特别是当老窑积水和其他水体有水力联系时，尤其要避免采掘活动对其造成影响，防止两者沟通后较大的动静储量水一并释放，给矿井排水带来巨大压力，威胁人员安全及正常生产。

在回避老窑进行采掘工作时，为保障安全，应留设一定的防水煤岩柱。按照《矿井水文地质规程》，纵向防水煤岩柱的留设规定为：①在水淹区或老窑积水区下掘进时，巷道与水体间的最小距离不得小于巷道高度的10倍；②在水淹区或老窑积水区下采煤时，防水煤岩柱的尺寸不小于导水裂隙带的最大高度与保护层厚度之和。

在老窑积水区附近进行同一煤层开采时，在积水区界线已基本查明后，横向防水煤岩柱尺寸可按以下经验公式计算［5］：

a＝0.5KM3P／K P

姨

式中a——

—煤柱宽度，m；

K——

—安全系数，一般取2～5；

M——

—采厚，m；

P——

—水头压力，MPa；

K P——

—煤体的抗拉强度，MPa。

例如，某一老窑积水区煤厚M=2.5m，水头压力P=0.6MPa,煤体的抗拉强度K P=0.4MPa，取安全系数K=4，则算得防水煤柱宽度a为10.6m,即在进行同一煤层开采时应留设约11m宽的防水煤柱。

3.1.2主动疏干

在多数情况下，对老窑水采取回避时将造成大量煤炭损失，或因此增大井巷工程量和排水费用，造成技术经济上不合理。此时则应主动对其进行疏干，主要方式为探放水。

根据老窑分布及其积水状况，并结合矿井实际排水能力和开采计划，可按以下几种原则及方式进行老窑积水探放［6］：①积极探放。当积水区下有大量煤炭资源且老窑不在地表水体或重要建筑物下

A——

—煤壁支撑影响区；B——

—离层区；C——

—重新压实区；Ⅰ——

—

冒落带；Ⅱ——

—裂缝带；Ⅲ——

—弯曲带

图1煤矿开采覆岩形成的三带

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时，应积极进行积水探放，以根除水患。②先隔离后探放。老窑与地表水体有密切的水力联系，水量较大时，为避免负担长期排水费用，对这种积水区应先设法隔断，然后再进行探放。③先降压后探放。对水量大、水压高的积水区，应先从顶、底板岩层打穿层放水孔把水压降低，然后再沿煤层打探水钻孔进行探放。④先堵后探放。当老窑被一些水源淹没且出水点有很大的补给量时，应先封堵出水点，然后再探放水。

不论采取哪种形式，进行探放水时都应制定好严格的安全措施，组织施工，确保安全。

3.2正常回采采空区积水的防治

由水体下采煤时采空区积水成因可知，若通过采取相应的技术措施就能避免采动影响波及上部含水层，这是防治此类水害的根本。只有在做好防止采空区内积水的前提下才能有效开展治理工作。

3.2.1留设防水煤岩柱

防水煤柱在防治采空区积水方面主要起两个作用：通过煤柱的隔水性能防止水体向采空区涌入；将积水的采空区与井巷或采面隔离开来。如区段间煤柱的留设，既防止了本工作面积水，同时也阻止相邻采空区积水的进入。

对于浅部开采而言，防水煤柱的留设实际上是确定开采上限的问题。在水体下采煤时，开采上界防水煤柱尺寸一般由导水裂隙带最大垂高与保护层厚度两部分组成。因而，确定合理的导水裂隙带高度及保护层厚度是关键所在。其计算公式及方法可参照经验公式并结合本矿井实际情况确定，有条件时应进行相关试验加以参考修正。开采上限一经确定，不得擅自进行调整。

对于井田中部或深部，应在水平间及采区间留防水煤柱，以保证分区开采，防止发生水害事故。3.2.2确定合理的开采方式

开采方式包括开拓方式、开采深度、采煤方法等［7］。通过选择合理的开采方式，能较好地防止采空区积水。

（1）开拓方式。开拓方式对充水性的影响主要取决于开拓巷道的布置方式与布置层位。当开拓巷道不揭露或不影响含水层时，一般充水性较差，反之则易造成采空区积水。水文地质条件较复杂或涌水量大的矿井，在选择开拓方式时应尽量避免采用下山开采，这样能在一定程度上防止上水平积水进入下山采区形成水患。而采用上山开采时，水可自流进入水平水仓，减少在采空区积聚的可能。

（2）巷道布置。合理的巷道布置也是预防采空区积水的重要措施。准备与回采巷道可作为矿井排水的良好途径，亦可用于疏干采空区积水。

若矿井涌水量较大，在进行采区准备时，应布置各采面的泄水孔及将其贯通的采区泄水巷，并设置排水设施进行集中排水。当区段平巷采用双巷布置时，下区段风巷可为上区段采面排水服务，亦可起到防积水的效果。此法可作为涌水量较大的矿井回采巷道的布置方案。

（3）采煤方法。在采煤方法中，影响较明显的有顶板管理方法与采高控制等。不同的顶板管理方法对上覆岩层导水裂隙带高度产生不同程度的影响。采用充填法与煤柱支撑法时对上覆岩层破坏较小，减少了采空区积水的可能，但由此会增加成本或造成煤炭损失。采高在很大程度上决定着开采空间的大小，因而可通过控制采高来限制导水裂隙带高度，以取得一定的防积水效果。

3.2.3构筑防水闸门及闸墙

防水闸门及闸墙是用来预防突然涌水威胁矿井安全而设置的特殊建筑物，可起到封闭突水段、保证其他区域安全生产的作用。合理构筑防水闸门及闸墙，亦可起到一定的防止采空区积水的作用。凡水患威胁严重的矿井，在井下巷道设计、布置中，应在适当地点预留防水闸门硐室和水闸墙位置，使矿井形成分翼、分水平或分采区隔离开采。

3.2.4疏放水

尽管采取了多种措施，采空区积水仍不可避免。若采空区处于采掘工程影响范围内，有可能造成水害发生，则需要考虑对其进行疏放。一般而言，正常回采形成的采空区，其积水线位置及水量大小均可在矿井充水性图上反映出来。若缺乏此资料，可按下式进行积水量估算［1］：

W＝KML h

sinα

式中W——

—采空区积水量，m3；

K——

—充水系数，取0.3～0.5；

M——

—采高，m；

L——

—采空区走向长度，m；

h——

—采空区垂高或水柱高度，m；

α——

—煤层倾角，（°）。

例如，某采空区走向长800m，煤层倾角15°，采空区垂高40m，采高3m，充水系数取0.4，则可算得采空区积水量为14836m3。

正常回采时形成的采空区，其积水疏放方法、原则及安全措施同老窑水疏放基本相同。由于其资料相

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对可靠，故相对而言，老窑水疏放工作危险性较低。

4结论

煤矿老采空区水害破坏性大，一旦发生，后果往往很严重。故各煤矿企业应给以足够重视，做好老采空区水害的防治工作。在进行积水治理时，应首先区分不同类型老采空区的积水，把握防治的关键，再结合具体情况采取相应的技术措施，最终达到治理的目的。

参考文献：

［1］魏可忠.矿井水文地质［M ］.北京:煤炭工业出版社,1991.［2］

国家煤矿安全监察局煤矿监察二司.全国小型煤矿特大事故案例选编(2000~2003)［M ］.北京:煤炭工业出版社,2004.

［3］郭启文.煤矿重大水害快速治理技术［M ］.北京:煤炭工业出版社,2005.

［4］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M ］.徐州:中国矿业大学出版社,2003.

［5］桂和荣.防水煤岩柱合理留设的应力分析计算法［M ］.北京:煤炭工业出版社,1997.

［6］何学秋.中国煤矿灾害防治理论与技术［M ］.徐州:中国矿业大学出版社,2006.

［7］

何道清.陕西煤炭技术［M ］.徐州:中国矿业大学出版社,

1994.

作者简介：轩大洋（1987－）,男，河南许昌人，现就读于中国矿业大学矿业工程学院。

（收稿日期：2008－09－20）

孤岛采煤工作面和采煤工作面带高压水开采一直是煤矿生产中的难题，而既是孤岛工作面又带高压水开采则具有更大的危险性和挑战性。永煤集团车集煤矿经过不懈的努力，实现了孤岛采煤工作面的带底板高压水开采。

1

车集煤矿孤岛工作面的特点

1.1

二2煤顶底板岩性特征

永煤集团公司车集煤矿位于豫东平原永夏煤田

境内，矿井主采煤层为二2煤，平均煤厚2.5m ，煤硬度系数f ＜0.15。二2煤顶板普遍有一层厚0.1～

0.6m 的炭质泥岩伪顶，而在硬岩层与二2煤之间普

遍发育一层厚0.05～0.5m 的煤线，一般随采随落。直接顶多为泥岩或砂质泥岩，平均厚2.9m ，一般在采面移架后即垮落。老顶为粗或中、细粒砂岩，厚度大，最薄约8m ，最厚可达50m ，一般平均厚度超过

20m ，岩性相对稳定、单一。

二2煤底板由泥岩和粉砂岩组成，煤层底板下

50m 处下普遍发育晚石炭纪太原组C 3t 灰岩，富含

水，其水头值压力最大可达5MPa 。因此，回采面生产均为带高压水开采。

1.2孤岛采煤工作面的特点

车集煤矿孤岛采煤面矿压很大，且其上部采空

区聚集大量老空水。开掘采煤面上平巷前，必须排放老空水，以确保生产安全。

二2煤底板承压水水头压力大，且具有输水通道，采面底板突水淹面的可能性很大，必须提前做好底板改造加固工作，消除突水隐患。

文章编号：1008－3731（2008）04－0041－02

孤岛采煤面带底板高压水开采技术

徐星华

（永城煤电控股集团有限公司车集煤矿，河南永城

476600）

摘要：结合永煤集团车集煤矿生产实际，介绍了孤岛回采面带底板高压水开采的方法，从技

术与现场管理的角度进行了总结，为孤岛回采面的安全生产提供了经验。关键词：孤岛回采面；带高压水开采；采空区；顶底板；泄水巷；液压支架中图分类号：TD823.8

文献标识码：B

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