煤礦采空積水綜合防治技術(shù)研究

張中華

煤礦采空積水綜合防治技術(shù)研究

張中華

針對我國煤炭生產(chǎn)中防治水存在的問題，探索直通式探放水研究理論并實(shí)施，就大同煤田地質(zhì)水文條件來講，該法推廣具有廣泛的實(shí)用性。

煤礦開采；采空區(qū)積水；直通式探放水

0 概況

大同煤田由于其開采歷史久遠(yuǎn)，在煤田范圍內(nèi)存在著大量的古窯、小煤礦。這些小窯大都分布在侏羅系2、5、7、8、11、14號煤層。大同煤田侏羅系煤層埋藏較淺，且各煤層采空區(qū)之間縱橫交錯(cuò)，非常復(fù)雜。在采空區(qū)的低洼處易集積一些積水，積水量大小不一，少的有幾千m3，多的可達(dá)到數(shù)萬、數(shù)十萬m3。再加上大同礦區(qū)煤層頂板堅(jiān)硬、性脆，易形成大面積的塌頂，因頂板冒落而形成采后裂隙，此時(shí)又?jǐn)U大了原有的采動裂隙，并形成直達(dá)地面的裂縫和塌陷。充水水源通過裂隙、裂縫等通道進(jìn)入礦井和煤層采空區(qū)，形成礦井采空區(qū)積水。由于采空區(qū)積水的存在，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來巨大的潛在威脅，如果對積水區(qū)的水量、區(qū)域等資料調(diào)查不清，不能采取有效的預(yù)防手段，將會造成嚴(yán)重的水患事故發(fā)生。

近年來，隨著大同煤田范圍內(nèi)小煤礦的關(guān)閉，在生產(chǎn)礦井范圍內(nèi)了出現(xiàn)了由于廢棄礦井而產(chǎn)生的新的積水源及導(dǎo)水通道。對廢棄礦井在關(guān)閉過程中缺乏切實(shí)可行的水害監(jiān)測及防范措施，對可能誘發(fā)的礦井水文地質(zhì)條件的變化缺少理論研究與分析，對廢棄礦井相關(guān)工程和技術(shù)資料不能進(jìn)行有效的系統(tǒng)整理與管理，不能注重廢棄礦井突水條件的研究及防范技術(shù)措施準(zhǔn)備工作，極可能引發(fā)災(zāi)難性的突水事故。同時(shí)，大同煤田部分礦井因侏羅系資源枯竭而向石炭系延伸，在采掘過程中，由于煤層間距過大，無法從石炭系煤層向侏羅系采空區(qū)實(shí)施井下探放水，上覆采空積水探測、施放成為急需解決的難題。本文研究的意義即著力解決上述問題，并以大同煤礦集團(tuán)白洞礦為例，對本文形成的采空區(qū)積水探放技術(shù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中予以優(yōu)化、改進(jìn)。

1 老空積水區(qū)的確定方法

1.1 資料調(diào)查分析法

在分析、預(yù)測采掘工作面可能遇到的采空積水問題時(shí)，要結(jié)合上部煤層開采的實(shí)際水文地質(zhì)資料，分析研究工作面水文地質(zhì)情況，從而更準(zhǔn)確地了解現(xiàn)采掘區(qū)域的情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有突水隱患時(shí)，有針對性地提出預(yù)測及防治方法。在采掘上下2個(gè)煤層時(shí)，詳細(xì)記錄上層煤開采工作面的水文地質(zhì)情況并填繪到礦井充水性圖上，這樣，在采掘下部煤層時(shí)能夠參照并分析水文地質(zhì)特征，根據(jù)分析所得到的結(jié)果及時(shí)地預(yù)測、預(yù)報(bào)，采取井下或者地面探放方法消除積水隱患。在實(shí)踐中，煤層采空區(qū)的低洼處易形成老空區(qū)積水，可利用煤層底板等高線圖，探放上層煤的積水區(qū)，消除開采下層煤時(shí)的突水隱患。

1.2 物探法

利用現(xiàn)有的物探手段，主要有瞬變電磁法（TEM）、直流激電測深、高密度電法勘探等，針對物探異常區(qū)初步預(yù)測積水區(qū)位置、邊界、積水量。對老空水探測，還有地質(zhì)雷達(dá)、三維地震、電阻率法等探測方法。

①上部采空區(qū)有積水的情況下，利用地質(zhì)雷達(dá)方法探測出下部采空區(qū)采動裂隙帶的范圍，從而設(shè)計(jì)出合理的保護(hù)煤柱寬度，預(yù)防下部工作面突水的發(fā)生。

②利用三維地震方法解釋老窯采空區(qū)，一方面是從己知資料出發(fā)，在反射波對比的基礎(chǔ)上，選擇顯著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相軸的消失、扭曲、突變等異?，F(xiàn)象，最后圈定出老窯采空區(qū)。

③為了探查出礦區(qū)地下水地質(zhì)體的分布及其導(dǎo)含水條件，可以采用地磁探測技術(shù)觀察地下地質(zhì)體中的電性分布規(guī)律。陽泉礦區(qū)采用頻率測深 (CSMT)技術(shù)和瞬變電磁場 (TEM)勘探技術(shù)對采空區(qū)的積水邊界進(jìn)行了探測；神華集團(tuán)活雞兔礦利用自動電阻率法成功探測出12205工作面采空區(qū)潰沙潰水通道；河北金牛能源公司東龐礦采用直流電探測技術(shù)探測某個(gè)工作面積水小煤窯采空區(qū)。

三維地震和瞬變電磁場能夠確定采空區(qū)的積水邊界。另外，煤層及采空區(qū)等地質(zhì)條件探測一般應(yīng)用三維地震探測技術(shù)，而采空區(qū)和煤層上下地層積水范圍的探測應(yīng)用電磁探測技術(shù)。

1.3 鉆探法

鉆探技術(shù)，作為最基礎(chǔ)的采空積水區(qū)探查手段，曾經(jīng)受到了極大地限制，但最近十幾年來，國內(nèi)外鉆探技術(shù)有了很大的發(fā)展，發(fā)展出適用于各種工作場合的鉆機(jī)。因此，應(yīng)用鉆探技術(shù)，不管在地面用鉆機(jī)還是井下坑道鉆機(jī)，均可實(shí)現(xiàn)“隨鉆測斜，自動糾偏”。近年來水平鉆機(jī)的出現(xiàn)，又填補(bǔ)了鉆探方面的一個(gè)缺陷，增加了探放水的手段，鉆探技術(shù)已經(jīng)滿足對老空積水區(qū)探查的要求。

1.4 化探法

地球化學(xué)勘探的方法是通過系統(tǒng)測量天然物質(zhì)的地球化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)各種類型的地球化學(xué)異常的一種調(diào)查方法?，F(xiàn)有的各種地球化學(xué)勘查方法主要是根據(jù)采樣對象來劃分的。如巖石地球化學(xué)測量、土壤地球化學(xué)測量、水地球化學(xué)測量、水系沉積物地球化學(xué)測量、湖積物地球化學(xué)測量、氣體地球化學(xué)測量和生物地球化學(xué)勘查等。各種測量方法又因地質(zhì)地理?xiàng)l件不同及選用的具體采樣物質(zhì)不同而發(fā)展成若干方法的變種。

在煤礦采空區(qū)積水區(qū)探查中，主要是通過水質(zhì)化驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)等，利用不同積水區(qū)、不同時(shí)間、不同含水層的水質(zhì)差異，確定突水水源，評價(jià)含水層水文地質(zhì)條件，確定各含水層之間的水力聯(lián)系。主要的技術(shù)方法包括：水化學(xué)快速檢測技術(shù)；透水水源快速識別技術(shù)；連通試驗(yàn)。

1.5 水文地質(zhì)條件寫實(shí)分析法

井巷地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析主要是對井下已揭露的地質(zhì)與水文地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、測量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等分析研究，從而達(dá)到了解、掌握礦井水文地質(zhì)條件的目的。常用的井巷地質(zhì)、水文地質(zhì)條件寫實(shí)分析技術(shù)方法有：井巷地質(zhì)現(xiàn)象與水文地質(zhì)現(xiàn)象描述；井巷地質(zhì)現(xiàn)象與水文地質(zhì)現(xiàn)象攝影；礦井地質(zhì)構(gòu)造與裂隙測量、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)與地質(zhì)作圖。

用井巷地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析方法，往往可以直接確定老空積水的范圍，積水高度，然后計(jì)算積水量。比如同煤集團(tuán)白洞煤業(yè)公司井田14號層?xùn)|303、東402老空積水區(qū)有明確的出水點(diǎn)標(biāo)高，又可以在采掘工程平面圖通過等高線劃定積水范圍，方法簡單、快速、準(zhǔn)確。

2 老空積水排放技術(shù)

老空區(qū)積水（采空區(qū)、老窯和已經(jīng)報(bào)廢的井巷積水）積存于生產(chǎn)、開拓水平以上，水量集中，一旦揭露，來勢兇猛，突然潰出，具有很大的沖擊力及破壞力，是煤礦主要水患之一。但是老空積水一旦查明以后，往往易于防治。對于生產(chǎn)礦井本身的老空區(qū)、舊巷道積水，應(yīng)認(rèn)真核實(shí)圖紙資料，查明積水區(qū)的水量、最低點(diǎn)、最高點(diǎn)，然后制定探放水措施或方案進(jìn)行探放水。

2.1 掘進(jìn)期間的排放

在巷道掘進(jìn)時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行探放水，一種是探同層的老空區(qū)積水，一種是探上層的老空區(qū)積水。在老空積水區(qū)下部煤層掘進(jìn)、回采前，須排放盡上層的積水。一般的做法是邊掘邊放，放一段掘一段。掘進(jìn)期間制定探放水措施。根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)，將調(diào)查和勘探（包括物探）獲得的小窯、老空的資料，經(jīng)過分析確定“3條界線”，即積水線、探水線、警界（戒）線，然后進(jìn)行探放水。

探放水的方法簡單易行，直接用專用探水鉆機(jī)向前（或上部）積水區(qū)打鉆孔。放水鉆孔的終孔直徑一般不超過73 mm。

在探放上層積水時(shí)，鉆孔的傾角一般在40°～70°之間，鉆孔的深度約在70 m以內(nèi)。最近幾年，有礦井用TUX-150型鉆機(jī)打孔，深度（斜深） 可達(dá)到130 m。在鉆孔孔口處安裝孔口管，固定閥門，控制放水，水壓一般在0.5 MPa以下，既便于操作，又安全可靠。

掘進(jìn)期間的探水鉆孔布置見圖1。

2.2 地面施工放水鉆孔

從地面布置鉆孔，穿過積水區(qū)與下部開采煤層的巷道貫通放水——直通式放水法。

原來一提到探放水，首先想到的就是在下部煤層的掘進(jìn)巷道中向上部的積水區(qū)施工放水鉆孔，層間距一般不會超過50 m，斜向上打孔，孔深也就在70 m以內(nèi)，鉆機(jī)用TUX-75或TUX-150就可以了。但有時(shí)無法用上述方法。比如：白洞石炭紀(jì)C5煤層與侏羅系的14號煤層間距在230 m～240 m，通過市場調(diào)研得知，目前還沒有能斜向上、垂直向上鉆進(jìn)這么深的鉆機(jī)；二是即使能鉆進(jìn)這么深，但是到鉆孔打通的時(shí)候，孔口水壓在2.3 MPa～2.5 MPa，人員無法在孔口處工作；三是C5煤層巷道沿底掘進(jìn)，頂部全是煤，孔口管、防噴裝置固定難度大。

2.3地面打井抽水

當(dāng)有以下情況時(shí)，可考慮在地面打井抽水：

①有的時(shí)候老空積水區(qū)周圍沒有巷道及其他空間，井下從本層無法放水。

②當(dāng)積水區(qū)下方（或叫下部煤層中）沒有掘進(jìn)巷道時(shí)，地面無法施工放水鉆孔到下部煤層的巷道，達(dá)不到放水的目的。

③當(dāng)積水區(qū)下方（或叫下部煤層中）巷道掘出后或掘進(jìn)期間，施工地面放水鉆孔，而時(shí)間趕不上時(shí)。也就是說，可以打放水鉆孔，但沒有放水時(shí)間，在工作面開采前放不完水的情況下。

同煤集團(tuán)四臺溝礦曾經(jīng)用抽水的方法排放古塘積水。這類鉆孔的孔徑比較大，約在0.40 m～0.50 m左右，潛水泵與排水管連接，從孔口一直下到積水區(qū)以下。

地面施工這種抽水鉆孔，鉆孔成本比較高，排水成本相對也高；同時(shí)還受多種因素限制，比如地面無法設(shè)排水溝，取電遠(yuǎn)等問題。

3 綜合治理

本著經(jīng)濟(jì)、高效、安全的原則，根據(jù)地面、井下全方位隱患排查結(jié)果，結(jié)合積水區(qū)的特征、地面地形、井下采掘系統(tǒng)的實(shí)際情況，認(rèn)真分析資料，反復(fù)對比各種方案的利弊（包括工程量、工程時(shí)間、工程費(fèi)用）制定科學(xué)合理的探放水方案。不要只限于一種方法，要結(jié)合實(shí)際，多種手段綜合利用。

4 結(jié)論

通過地面、井下物探、鉆探結(jié)合的手段查清水患，施工地面、井下鉆孔排放采空積水，在大同礦區(qū)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，適合大同煤田礦井今后的防治水工作，具有推廣價(jià)值。

本文以大同白洞礦老空水為研究對象，重點(diǎn)研究老空水的防治技術(shù)，以及老空水排水方案的制訂。通過研究得出如下結(jié)論:

①對不同煤系中老空區(qū)積水探放進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善和改進(jìn)了采空區(qū)探放水方案、鉆探工藝、放水鉆孔結(jié)構(gòu)、放水套管的結(jié)構(gòu)等技術(shù)問題；

②直通式放水法在同煤集團(tuán)白洞礦應(yīng)用取得了一定的安全效果和經(jīng)濟(jì)效益，對同煤集團(tuán)的其他礦井（包括其他雙系煤田的礦井）今后在開采下部煤系時(shí)的探放水技術(shù)有了新的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)思想，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

針對大同礦區(qū)采空積水特點(diǎn)，將數(shù)字化地質(zhì)資料，綜合物探技術(shù)，地面、井下多方面的立體探放水技術(shù)綜合應(yīng)用于探放水工作，有效地排查出采空積水的位置和深度，并對積水進(jìn)行探放，保證了礦井安全生產(chǎn)，特別是直通式鉆孔近幾年在石炭系開采期間的探放水對安全生產(chǎn)起到了十分重要的作用。

煤礦安全工作中，每年都要投入大量的資金、人力、物力，防治水方面也是如此，但是仍然有透水事故發(fā)生。這里的原因很多，其中包括業(yè)務(wù)、技術(shù)方面的因素，探放水手段、施工場地等的因素。近幾年有些礦在防治工作中，因?yàn)闊o法施工探放水鉆孔，又認(rèn)為積水量不大，就馬馬乎乎開采了，結(jié)果導(dǎo)致工作面發(fā)生透水，雖未發(fā)生死、傷人事故，但還是淹了工作面，影響了生產(chǎn)。

本次探索、研究侏羅系積水探放方案，對白洞煤業(yè)公司今后采礦具有重要的意義，特別是對今后同煤集團(tuán)其他礦井在開采石炭系煤層時(shí)防治水、水患排查方面更具有指導(dǎo)意義，防止上層積水在采煤過程中造成的突水事故，杜絕水患，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

[1] 于不凡．煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊 [M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005．

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Study on Integrated Control Technology of Coal Goaf Seeper

Zhang Zhonghua

according to the control of water problems in the domestic coal production,straight-through-water exploration is explored and used.This method is practical within the geological and hydrological conditions of Datong coalfield.

coal mining；goaf seeper；straight-through-water exploration

TD745

A

1000-4866（2012）02-0017-04

張忠華，男，1963年2月出生，1985年9月畢業(yè)于大同煤礦職工大學(xué)（地質(zhì)專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司忻州窯礦工作，助理工程師。

2012－03－13

2012－03－27