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[摘 要]分析了姚桥煤矿近年来老空水害的威胁程度，通过对该矿采空区积水量进行了估算，对工作面老空水成因进行了分析，提出了老空区探放水技术方案，确保安全排放出了老空水，保证了施工安全和工程进度。
[关键词]探放老空水 ；积水范围 ；探水； 放水钻孔
中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0247-02
1. 综述
矿井水灾是煤矿常见的主要灾害之一，是煤矿生产中常见的事故。已采的旧巷及采空区常有大量积水，水体形状不规则，与采掘工程的空间关系错综复杂，常为矿井水灾事故的主要原因。老空水压力大，压力传递迅速，采掘工程一旦意外接近便可突然溃出，发生透水事故，具有很大的破坏性。当采掘工作面接近老空区水体时，采取钻探放水的方法，探明工作面前方采空区的水情，采取有效措施，将采空区积水放出是保证安全生产，杜绝老空区透水的重要手段。
探放老空水技术主要包括老空积水范围的确定和积水量的估算、探水“三线”、“三距”的确定、探水方法的选择和放水效果的判定。
2. 老空水探放技术探讨
2.1 老空积水范围的确定和积水量的估算
老空积水范围的确定和积水量的估算，是探放水设计的重要一环。它必须在以往收集的水文、地质资源的基础上，在采掘工程平面图上深入分析和研究老空区空间构造条件和水源条件，准确确定老空积水范围和估算积水量，正确指导防治老空水工作。
2.1.1 积水范围的确定
（1）能够实测积水上限时。将老空水所流出巷道的底板标高作为积水上限，根据上限标高，在采掘工程平面图上按照等高线即可标定出积水范围。但是应考虑到因巷道局部冒落堵塞造成积水标高提高的特殊情况，并采取相应的预防措施。
（2）不能够实测积水上限时。根据开采后的积水时间和水量补给资料，采用水均衡法估算积水量，再根据积水量推算积水范围。推算积水范围时，可采用老空积水量估算公式，采用穷举法推算。水均衡法即：积水量=收入量一支出量。收入量包括工作面动水量以及工程用水量，支出量包括开采过程中的排水量及可能渗流到其它地点的量。
2.1.2 老空积水量的估算
Q =KMS/cosa
式中：Q —相互连通的各积水区总积水量，m？；
K —充水系数采空区取O.25 —0.5，（采空区充水系数K与采煤方法、回采率、煤层倾角、顶底板岩性及其碎涨程度、采后间隔时间等因素有关，巷道充水系数与巷道断面的变化有关。）
M —采空区的平均采高，m；
S—采空积水区的水平投影面积，m？；
a — 煤层倾角，°；
2.2 探水“三线”的确定
探水“三线”是指：积水线、探水线、警戒线。
（1）积水线：积水区外缘标高等高线，确定积水水面标高后，可直接在采掘工程平面图上按等高线标定。
（2）探水线：《矿井水文地质规程》规定掘进工作面在距积水实际边界20m处停止掘进，进行打钻放水。积水线外推20m即为探水线。
（3）警戒线：积水线外推60m即为警戒线。掘进工作面进入警戒线后，必须超前探放水。探水“三线”必须在采掘工程平面图上明确标出。
2.3 探水超前距和允许掘进距的确定
2.3.1 探水超前距的确定
探水超前距是指巷道在钻孔有效控制距离内掘进时，当掘至一定位置必须停止掘进继续打钻，该位置到钻孔孔底的距离。计算公式为：
L=0.5B（3P/KP ）/2 式中：P—水头压力； KP—煤柱抗张强度；B一巷道跨度。
2.3.2 允许掘进距离
允许掘进距离是指钻孔孔口到孔底的距离减去超前距，即已经探明不受水威胁的安全距离。
2.4 放水钻孔设计
2.4.1 最大单位放水量的确定
根据老空积水量和老空区的动水量及设计放水时间计
算。计算公式：Qmax =（W +Q动）/T
式中：W — 老空积水量或静储量，m？；Q动 — 动水量，m？/s；
T—设计放水时间，s。
2.4.2 钻孔数量的确定
采用公式：N=Qmax/q 式中：q—单孔出水量，m？/s。
单孔出水量q可用下式估算：根据公式：
×3600 （m3/h）
式中：——沿程阻力系数，一般取值0.035
D——钻孔直径
H——钻孔出水口以上的水头高度
——重力加速度
L——钻孔深度
2.5 放水效果的判定
（1）根据水压的变化判断：水压较大时，放水前用精密压力表或压力计法测量出老孔积水位，水压较小时，用架接胶管法测定水位。放水过程中及时测定水压值，确定放水情况，判断是否放干。
（2）根据钻孔溢出风流或气味判断：纵向终孔层位标高较高的钻孔先干，低的钻孔后干，放净水后钻孔有时会有漏风现象，或有臭味溢出。
3.探放水工程的实践
姚桥煤矿7717老空水是通过新建放水巷的方法探放老空积水。
3.1 姚桥矿7717工作面概况
7717工作面位于东六采区，北以袁堂断层保护煤柱为界，南为东六上山，东为7715工作面采空区，西为设计7719工作面。工作面走向长度1256～1270m，平均1263m；倾向长度212m。工作面煤层厚度4.50～6.50m，平均5.50m。工作面内煤层结构简单，无夹矸，无岩浆岩侵入。
3.2 7717老空水成因及积水量的估算 3.2.1老空水成因
因该工作面于2011年9月回采至最低点，开始仰采，通风科注浆队于2011年11月开始对该工作面注浆，造成老空区内存有大灌浆灭火水 ，此外该工作面回采期间有10 m/h的动水涌出，留设的防隔水煤柱承压可能有限， 严重影响 7719材料道的安全施工。因此，应采用安全可靠的技术防止 7719工作面材料道掘进时，老空灌浆灭火水的突然涌出，确保该工作面的安全顺利施工。
3.2.2积水量估算
老空积水范围内积水量的估算，是探放水设计的重要一环。必须在以往收集的水文、地质资料的基础 ，在采掘工程平面图上深入分析和研究老空区空间构造条件和水源条件，准确确定老空积水范围内积水量和积水深度，正确指导老空水的防治工作。
根据生产接续计划，7717工作面从2011年6月6日开始回采，预计2012年10月回采结束；7719材料道计划于2013年4月1日开始掘进，预计7719工作面2014年3月开始回采。
1）探放水工期计算：根据公式Q总 =W+Q动（W — 老空积水量或静储量，m？；Q动 — 动水量，m2/s）
1）根据注浆量：2011.11～2012.9 共注灰9000m3，换成灰浆为3.6万m3；
2012.10～2013.2 按每月注灰1000m3，换成灰浆2万m3。因此W=5.6万m3
2）2011.9 7717工作面开始仰采，动水量按10m3/h，到2013.2底，共计18个月，水量为13万m3，因此Q动=13万m3。
全部合计积水量Q总=18.6万m3。
2）7717工作面沿7#煤底板回采，东六下部（新建）放水巷位于8#煤底板。7717工作面切眼至东六放水巷之间有积水，根据公式：
Q——采空区积水量； K——采空区充水系数 取 0.25（采空区充水系数 K与采煤方法、 采出率、 煤层倾 角、 顶底板岩性及其碎涨程度、 采后间隔时间等因素有 ）
M——采空区平均煤厚 取5.5 m
S——采空区平面投影面积 取236782 m2
通过估算最大积水量为32万m？。
3） 根据观测东六放水巷的水位高度，估算出积水面最大高度为放水巷底板高度H=-360m，而采空区最低点标高为-427m，因此最大积水深度h=67m。
3.3 探放老空水技术方案设计
3.3.1 方案确定
首先对采空区和相邻地段地质及水文地质条件进行了认真调查分析，包括采空区内地质构造、煤层产状、顶底板以及工作面回采情况、相邻阶段采空区之间的水力联系、采空区与地表水体、断层构造带的水力联系程度等，由于最高积水面高度为-360m，可在平面中绘制出-360的等高线，这样-360等高线，7717切眼到东六放水巷围成的区域，就可圈定采空区积水平面图，计算采空区体积和积水量，并绘制在采空区积水平面图。新建放水巷探放水前，防治水技术人员要根据采空区积水平面图，编制有针对性的探放水设计及施工安全技术措施。钻孔呈扇形布置，原则上设计3个方位，一个方位布置3个钻孔。7717采空区积水区平面图如图1。
3.3.2 探放水钻孔布置
1）根据工作面目前积水的实际情况，设计钻机窝位于东六下部放水巷14#点前水平距离39.6m处，该钻机窝为半圆拱施工，设计尺寸为：
长×宽×高=5m×4.6m×4.5m
根据探放水施工单位要求，在钻机窝内打好起吊锚杆，以便起吊钻机等探放水设备。本次设计施工三组，每组三个钻孔，成扇形布置，预计钻探工程量为519.2m。钻孔布置详见图2、图3。
2）单孔设计
根据公式：
×3600 （m3/h）
式中： ——沿程阻力系数，一般取值0.035
D——钻孔直径 取值0.075m
H——钻孔出水口以上的水头高度 取值为67m
——重力加速度 取值9.8 m/s
L——钻孔深度 取值35m
预计单孔最大涌水量为140m2/h。钻孔结构示意图如图4，钻孔参数见表1。
3.3.3 探放水钻孔施工工艺
本次施工探放水工程均在距离积水区30m的钻机窝内进行，共分为三组钻孔，根据钻孔序号，按照从小到大的顺序依次施工。
施工钻孔前，由测量人员确定好钻孔方位角及倾角，调整并固定钻机后，开孔用Ф91mm无芯钻头钻进至12.2m后，用Ф127mm扩孔钻头扩孔至12.2m，下Ф108mm套管12m。然后采用水灰比0.5：1的水泥浆固结，管口安装压力表和闸阀，压力表量程为0～1 MPa。待套管固结不少于48小时后，做耐压试验，试验压力为2.0MPa，30分钟后套管不松动并且套管外壁不渗水为合格，如耐压试验不合格，则重新进行固结。待耐压试验结束后，用Ф75mm的钻孔钻至老空区，终孔孔径为Ф75mm。
3.4 探水效果与探讨误差原因分析
3.4.1探水成果
1） 此次探放水工程，已累计放出水量为6.5万立方米。至今1#孔出水量0.3 m3/h，2#孔出水量0.1 m3/h，4#孔无水，6#孔出水量为0.5 m3/h。
2）此次探放水工作，基本达到设计的要求，对7717老空积水进行了充分的疏放。预计7717老空区低洼处剩余积水量130m？，积水深度2m。
3）施工7719材料道时对采区长探短掘的方式7717剩余老空水也进行了探放，累计放出水量为230立方米。留设的放水孔仍有1.5m3/h的动水流出，对工作面回采有一定影响。
3.4.2与预计情况对比误差原因分析
1）7717工作面2012年10月结束回采，探放水工程于10月25日开始，间隔时间较短，积水量没有达到最大，所以放出的水量较小。也确保了7719工作面的正常开采。
2）原预计积水量时，取充水系数为0.35，估算出积水量为32万立方米，积水深67m；根据1#孔透老空区时测的压力为0.4MPa，推算出积水深度为29m，预计积水量为11.4万立方米，实际放水量为6.5万立方米左右，其充水系数应为0.2左右，由于该工作面顶板砂岩较软，裂隙较不发育，所以充水系数没有预计的大。
4. 结语
通过老空水探放技术的探讨，明确了设计施工的具体内容，合理选择了老空水防治技术，优化了探放水方案，确定了探放水位置及施工工艺，既保证了安全生产，最大限度地节省了人力、物力，探水、放水、导水、疏水效果较好。
作者简介：陆祖和（1962—— ），男，上海市人，大学本科毕业，高级工程师，现任上海能源大屯煤电股份公司姚桥煤矿安全矿长。
[关键词]探放老空水 ；积水范围 ；探水； 放水钻孔
中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0247-02
1. 综述
矿井水灾是煤矿常见的主要灾害之一，是煤矿生产中常见的事故。已采的旧巷及采空区常有大量积水，水体形状不规则，与采掘工程的空间关系错综复杂，常为矿井水灾事故的主要原因。老空水压力大，压力传递迅速，采掘工程一旦意外接近便可突然溃出，发生透水事故，具有很大的破坏性。当采掘工作面接近老空区水体时，采取钻探放水的方法，探明工作面前方采空区的水情，采取有效措施，将采空区积水放出是保证安全生产，杜绝老空区透水的重要手段。
探放老空水技术主要包括老空积水范围的确定和积水量的估算、探水“三线”、“三距”的确定、探水方法的选择和放水效果的判定。
2. 老空水探放技术探讨
2.1 老空积水范围的确定和积水量的估算
老空积水范围的确定和积水量的估算，是探放水设计的重要一环。它必须在以往收集的水文、地质资源的基础上，在采掘工程平面图上深入分析和研究老空区空间构造条件和水源条件，准确确定老空积水范围和估算积水量，正确指导防治老空水工作。
2.1.1 积水范围的确定
（1）能够实测积水上限时。将老空水所流出巷道的底板标高作为积水上限，根据上限标高，在采掘工程平面图上按照等高线即可标定出积水范围。但是应考虑到因巷道局部冒落堵塞造成积水标高提高的特殊情况，并采取相应的预防措施。
（2）不能够实测积水上限时。根据开采后的积水时间和水量补给资料，采用水均衡法估算积水量，再根据积水量推算积水范围。推算积水范围时，可采用老空积水量估算公式，采用穷举法推算。水均衡法即：积水量=收入量一支出量。收入量包括工作面动水量以及工程用水量，支出量包括开采过程中的排水量及可能渗流到其它地点的量。
2.1.2 老空积水量的估算
Q =KMS/cosa
式中：Q —相互连通的各积水区总积水量，m？；
K —充水系数采空区取O.25 —0.5，（采空区充水系数K与采煤方法、回采率、煤层倾角、顶底板岩性及其碎涨程度、采后间隔时间等因素有关，巷道充水系数与巷道断面的变化有关。）
M —采空区的平均采高，m；
S—采空积水区的水平投影面积，m？；
a — 煤层倾角，°；
2.2 探水“三线”的确定
探水“三线”是指：积水线、探水线、警戒线。
（1）积水线：积水区外缘标高等高线，确定积水水面标高后，可直接在采掘工程平面图上按等高线标定。
（2）探水线：《矿井水文地质规程》规定掘进工作面在距积水实际边界20m处停止掘进，进行打钻放水。积水线外推20m即为探水线。
（3）警戒线：积水线外推60m即为警戒线。掘进工作面进入警戒线后，必须超前探放水。探水“三线”必须在采掘工程平面图上明确标出。
2.3 探水超前距和允许掘进距的确定
2.3.1 探水超前距的确定
探水超前距是指巷道在钻孔有效控制距离内掘进时，当掘至一定位置必须停止掘进继续打钻，该位置到钻孔孔底的距离。计算公式为：
L=0.5B（3P/KP ）/2 式中：P—水头压力； KP—煤柱抗张强度；B一巷道跨度。
2.3.2 允许掘进距离
允许掘进距离是指钻孔孔口到孔底的距离减去超前距，即已经探明不受水威胁的安全距离。
2.4 放水钻孔设计
2.4.1 最大单位放水量的确定
根据老空积水量和老空区的动水量及设计放水时间计
算。计算公式：Qmax =（W +Q动）/T
式中：W — 老空积水量或静储量，m？；Q动 — 动水量，m？/s；
T—设计放水时间，s。
2.4.2 钻孔数量的确定
采用公式：N=Qmax/q 式中：q—单孔出水量，m？/s。
单孔出水量q可用下式估算：根据公式：
×3600 （m3/h）
式中：——沿程阻力系数，一般取值0.035
D——钻孔直径
H——钻孔出水口以上的水头高度
——重力加速度
L——钻孔深度
2.5 放水效果的判定
（1）根据水压的变化判断：水压较大时，放水前用精密压力表或压力计法测量出老孔积水位，水压较小时，用架接胶管法测定水位。放水过程中及时测定水压值，确定放水情况，判断是否放干。
（2）根据钻孔溢出风流或气味判断：纵向终孔层位标高较高的钻孔先干，低的钻孔后干，放净水后钻孔有时会有漏风现象，或有臭味溢出。
3.探放水工程的实践
姚桥煤矿7717老空水是通过新建放水巷的方法探放老空积水。
3.1 姚桥矿7717工作面概况
7717工作面位于东六采区，北以袁堂断层保护煤柱为界，南为东六上山，东为7715工作面采空区，西为设计7719工作面。工作面走向长度1256～1270m，平均1263m；倾向长度212m。工作面煤层厚度4.50～6.50m，平均5.50m。工作面内煤层结构简单，无夹矸，无岩浆岩侵入。
3.2 7717老空水成因及积水量的估算 3.2.1老空水成因
因该工作面于2011年9月回采至最低点，开始仰采，通风科注浆队于2011年11月开始对该工作面注浆，造成老空区内存有大灌浆灭火水 ，此外该工作面回采期间有10 m/h的动水涌出，留设的防隔水煤柱承压可能有限， 严重影响 7719材料道的安全施工。因此，应采用安全可靠的技术防止 7719工作面材料道掘进时，老空灌浆灭火水的突然涌出，确保该工作面的安全顺利施工。
3.2.2积水量估算
老空积水范围内积水量的估算，是探放水设计的重要一环。必须在以往收集的水文、地质资料的基础 ，在采掘工程平面图上深入分析和研究老空区空间构造条件和水源条件，准确确定老空积水范围内积水量和积水深度，正确指导老空水的防治工作。
根据生产接续计划，7717工作面从2011年6月6日开始回采，预计2012年10月回采结束；7719材料道计划于2013年4月1日开始掘进，预计7719工作面2014年3月开始回采。
1）探放水工期计算：根据公式Q总 =W+Q动（W — 老空积水量或静储量，m？；Q动 — 动水量，m2/s）
1）根据注浆量：2011.11～2012.9 共注灰9000m3，换成灰浆为3.6万m3；
2012.10～2013.2 按每月注灰1000m3，换成灰浆2万m3。因此W=5.6万m3
2）2011.9 7717工作面开始仰采，动水量按10m3/h，到2013.2底，共计18个月，水量为13万m3，因此Q动=13万m3。
全部合计积水量Q总=18.6万m3。
2）7717工作面沿7#煤底板回采，东六下部（新建）放水巷位于8#煤底板。7717工作面切眼至东六放水巷之间有积水，根据公式：
Q——采空区积水量； K——采空区充水系数 取 0.25（采空区充水系数 K与采煤方法、 采出率、 煤层倾 角、 顶底板岩性及其碎涨程度、 采后间隔时间等因素有 ）
M——采空区平均煤厚 取5.5 m
S——采空区平面投影面积 取236782 m2
通过估算最大积水量为32万m？。
3） 根据观测东六放水巷的水位高度，估算出积水面最大高度为放水巷底板高度H=-360m，而采空区最低点标高为-427m，因此最大积水深度h=67m。
3.3 探放老空水技术方案设计
3.3.1 方案确定
首先对采空区和相邻地段地质及水文地质条件进行了认真调查分析，包括采空区内地质构造、煤层产状、顶底板以及工作面回采情况、相邻阶段采空区之间的水力联系、采空区与地表水体、断层构造带的水力联系程度等，由于最高积水面高度为-360m，可在平面中绘制出-360的等高线，这样-360等高线，7717切眼到东六放水巷围成的区域，就可圈定采空区积水平面图，计算采空区体积和积水量，并绘制在采空区积水平面图。新建放水巷探放水前，防治水技术人员要根据采空区积水平面图，编制有针对性的探放水设计及施工安全技术措施。钻孔呈扇形布置，原则上设计3个方位，一个方位布置3个钻孔。7717采空区积水区平面图如图1。
3.3.2 探放水钻孔布置
1）根据工作面目前积水的实际情况，设计钻机窝位于东六下部放水巷14#点前水平距离39.6m处，该钻机窝为半圆拱施工，设计尺寸为：
长×宽×高=5m×4.6m×4.5m
根据探放水施工单位要求，在钻机窝内打好起吊锚杆，以便起吊钻机等探放水设备。本次设计施工三组，每组三个钻孔，成扇形布置，预计钻探工程量为519.2m。钻孔布置详见图2、图3。
2）单孔设计
根据公式：
×3600 （m3/h）
式中： ——沿程阻力系数，一般取值0.035
D——钻孔直径 取值0.075m
H——钻孔出水口以上的水头高度 取值为67m
——重力加速度 取值9.8 m/s
L——钻孔深度 取值35m
预计单孔最大涌水量为140m2/h。钻孔结构示意图如图4，钻孔参数见表1。
3.3.3 探放水钻孔施工工艺
本次施工探放水工程均在距离积水区30m的钻机窝内进行，共分为三组钻孔，根据钻孔序号，按照从小到大的顺序依次施工。
施工钻孔前，由测量人员确定好钻孔方位角及倾角，调整并固定钻机后，开孔用Ф91mm无芯钻头钻进至12.2m后，用Ф127mm扩孔钻头扩孔至12.2m，下Ф108mm套管12m。然后采用水灰比0.5：1的水泥浆固结，管口安装压力表和闸阀，压力表量程为0～1 MPa。待套管固结不少于48小时后，做耐压试验，试验压力为2.0MPa，30分钟后套管不松动并且套管外壁不渗水为合格，如耐压试验不合格，则重新进行固结。待耐压试验结束后，用Ф75mm的钻孔钻至老空区，终孔孔径为Ф75mm。
3.4 探水效果与探讨误差原因分析
3.4.1探水成果
1） 此次探放水工程，已累计放出水量为6.5万立方米。至今1#孔出水量0.3 m3/h，2#孔出水量0.1 m3/h，4#孔无水，6#孔出水量为0.5 m3/h。
2）此次探放水工作，基本达到设计的要求，对7717老空积水进行了充分的疏放。预计7717老空区低洼处剩余积水量130m？，积水深度2m。
3）施工7719材料道时对采区长探短掘的方式7717剩余老空水也进行了探放，累计放出水量为230立方米。留设的放水孔仍有1.5m3/h的动水流出，对工作面回采有一定影响。
3.4.2与预计情况对比误差原因分析
1）7717工作面2012年10月结束回采，探放水工程于10月25日开始，间隔时间较短，积水量没有达到最大，所以放出的水量较小。也确保了7719工作面的正常开采。
2）原预计积水量时，取充水系数为0.35，估算出积水量为32万立方米，积水深67m；根据1#孔透老空区时测的压力为0.4MPa，推算出积水深度为29m，预计积水量为11.4万立方米，实际放水量为6.5万立方米左右，其充水系数应为0.2左右，由于该工作面顶板砂岩较软，裂隙较不发育，所以充水系数没有预计的大。
4. 结语
通过老空水探放技术的探讨，明确了设计施工的具体内容，合理选择了老空水防治技术，优化了探放水方案，确定了探放水位置及施工工艺，既保证了安全生产，最大限度地节省了人力、物力，探水、放水、导水、疏水效果较好。
作者简介：陆祖和（1962—— ），男，上海市人，大学本科毕业，高级工程师，现任上海能源大屯煤电股份公司姚桥煤矿安全矿长。