同忻雙系井田開采水害綜合探測與立體防治技術(shù)

孫桂榮

0 概況

同忻礦位于大同市西南約20 km，居大同礦區(qū)東北部，井田北東、南西方向長約12 km，北西、南東寬約8 km，面積96.89 km2。目前該礦主采石炭二疊紀(jì)3-5號特厚煤層，煤層平均厚度13.68 m，賦存基本穩(wěn)定，傾角平緩，煤炭儲量豐富，井田內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單。但是由于井田內(nèi)上覆侏羅系煤層的開采，形成了極為復(fù)雜的老空積水區(qū)，成為下組煤開采的最大隱患。

1 井田充水因素分析

1.1 大氣降水和地表水體

井田地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候，雨季集中分布在7、8月份，地表徑流小，僅有口泉河與忻州窯溝流經(jīng)地表。由于石炭-二疊系僅在東部邊緣呈狹窄條帶狀出露，而且地勢高，地形有利于自然排水，大氣降水及地表水不會成為礦井直接充水因素。

1.2 地下水

（1）山西組含水層

賦存砂巖裂隙承壓水，是3-5號煤層直接充水含水層，據(jù)礦井涌水量及水文孔抽水試驗(yàn)資料，山西組含水層富水性弱，對礦井充水影響小。

（2）太原組含水層

賦存砂巖裂隙承壓水，是3-5號煤層及8號煤層直接充水含水層，據(jù)礦井涌水量及水文孔抽水試驗(yàn)資料，太原組含水層富水性弱，對礦井充水影響小。

（3）奧陶系含水層

主斜井及鉆孔資料揭露奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育不均，富水性較弱，水力聯(lián)系較差，經(jīng)突水系數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，除8號煤層在井田北部有局部突水危險(xiǎn)外，其余區(qū)域均為安全區(qū)[1]。

1.3 老空區(qū)積水

井田上覆開采侏羅系煤層的礦井經(jīng)過幾十年的開采，資源已近枯竭，煤層采后形成了大面積的采空區(qū)遍布整個(gè)煤田，在同忻井田范圍內(nèi)形成了極為復(fù)雜的老（窯）采空積水區(qū)[2]，其積水范圍和積水量極難掌握，給同忻煤礦水害防治工作帶來很大困難。

2 積水綜合探測技術(shù)

2.1 地面物探

同忻礦從09年開始利用地面物探技術(shù)先后在一盤區(qū)6個(gè)工作面(8100工作面、8103工作面、8104工作面、8105工作面、8106工作面、8107工作面)進(jìn)行上覆采空積水探測，對主盤區(qū)大巷，北二盤區(qū)三條大巷也進(jìn)行了地面物探。針對各個(gè)工作面上覆侏羅系采空積水異常區(qū)施工4個(gè)地面驗(yàn)證孔，共計(jì)地面鉆探驗(yàn)證孔24個(gè)，其中8100工作面放水12 000 m3，其它驗(yàn)證孔其本都是見空無水。

2013年對北二盤區(qū)8203工作面上覆侏羅系煤層采空積水情況進(jìn)行了地面物探，共探測出2處積水異常區(qū)，共計(jì)積水量為558 829 m3，其中尾部積水量估算511 378 m3，7月份已施工1個(gè)探測孔，探到同家梁14、15號層采空積水水位23 m，積水情況與物探結(jié)果基本吻合。

2.2 井下物探

井下直流電法超前探是一種井下電法探測的新技術(shù)。超前勘探前方含水異常一般采用“三點(diǎn)源法”，本文從施工方法、數(shù)據(jù)解釋進(jìn)行了創(chuàng)新，采用了“七點(diǎn)源法”施工方法[3-4]，見圖1，雖然工程量增加一倍，但相比“三點(diǎn)源法有以下優(yōu)點(diǎn)：a.增加了疊加次數(shù)（七次）b.排除巷道迎頭左右、后方的影響c.提高了探測精度。

圖1 七點(diǎn)源法施工布置

工作面回采前，通過可控源音頻大地電磁法[5-6]對上覆采空區(qū)積水與含水層進(jìn)行探查，掌握水源分布位置、積水量等狀態(tài)。再采取坑透措施，探測導(dǎo)水構(gòu)造。

2.3 鉆孔探測

同忻礦現(xiàn)采C3-5號煤層，與上覆侏羅系煤層層間距約200 m，超過井下施工探放水孔的有效距離，通過分析侏羅系煤層采掘資料初步確定采空積水區(qū)，選擇合適的位置施工地面探孔，可以確定采空區(qū)是否積水及積水標(biāo)高，進(jìn)而估算積水量。

2011年9月在同忻礦北二盤區(qū)對應(yīng)地表施工了3個(gè)地面探放水孔，測得15號層積水高度30 m，初步估算同家梁礦11、14、15號層積水共158萬m3。2013年7月份在北二盤區(qū)8203面從地面施工了一個(gè)探測孔，探到同家梁14、15號層采空積水水位23 m，根據(jù)水位重新估算了剩余積水量100萬m3。2012年4月在北一盤區(qū)施工地面探孔6個(gè)，水位標(biāo)高24 m，估算3、9、11、14號層積水224萬m3。

針對上述應(yīng)用案例，分別采用5M預(yù)評價(jià)法和一般評估法進(jìn)行評價(jià)。一般評估法采用文獻(xiàn)[19]所制定的由設(shè)備和管理要素建立的“信號設(shè)備評價(jià)表”作為參考[19]，并按照評價(jià)表的定性定量指標(biāo)采用專家打分法進(jìn)行預(yù)評價(jià)。兩種方法實(shí)施效果對比如圖2所示。

對于掘進(jìn)巷道，根據(jù)生產(chǎn)需要靈活采取長探或短探。長探時(shí)，采用3孔半扇形布置，孔口設(shè)置在距巷道底板高1.5 m處，孔間距0.4 m，單孔深度270 m，超前距30 m，幫距20 m，允許掘進(jìn)距離240 m；短探時(shí)，采用3孔扇形布置，孔口距離頂板1.5 m，孔間距0.4 m，單孔深度80 m，超前距30 m，幫距20 m，允許掘進(jìn)距離50 m，如圖2。

圖2 鉆探短探施工示意

對于回采工作面，則根據(jù)上覆侏羅系已采掘資料，在地表施工3-4個(gè)探水孔至J15號層底板，開孔Φ108 mm，終孔Φ89 mm。然后采用電測措施，根據(jù)探測結(jié)果，確認(rèn)工作面上覆若無水患后，進(jìn)行封孔，若有水患威脅，則須查明采空區(qū)積水位置、積水量等狀況，于積水區(qū)安裝花管，進(jìn)行放水。

2.4 化探跟進(jìn)

由于地下水源較多，且存在水力聯(lián)系，只有準(zhǔn)確查明水患來源，才能采取有效的防治措施。本次研究方案是依次采集地表河流水樣、上覆煤層采空區(qū)積水水樣、含水層水樣、底板灰?guī)r巖溶水樣，然后在實(shí)驗(yàn)室做化學(xué)分析，測試水樣中各組分指標(biāo)，主要包括：酸堿度、硬度、離子類型、礦化度、主要化學(xué)物等，從而依據(jù)組分劃分不同水質(zhì)類型。

3 綜合立體治水技術(shù)

根據(jù)同忻礦的地質(zhì)情況，創(chuàng)新性采用地面放水孔、井下孔放水、地面抽放水孔、井下侏羅系巷道排水、以及井下水倉地面大口徑直排等5種排水模式，建立了立體排水系統(tǒng)（如圖3），累積排水352萬m3。

圖3 立體排水系統(tǒng)示意

3.1 地面放水孔

由于同忻礦3-5#層與上部侏羅系礦井采空區(qū)層間距較大，且上部存在多層采空區(qū)，從井下使用傳統(tǒng)的專用探放水鉆機(jī)無法進(jìn)行有效探放，且若從井下施工，由于侏羅系采空積水水頭高，水壓最大可達(dá)3 MPa～4 MPa，可能在封孔、排水管路及排水量的控制方面存在隱患。為此，采用施工地面放水孔將上覆各層采空積水引至同忻礦井下巷道中，通過礦井排水系統(tǒng)排水。首先根據(jù)前期已掌握的采空積水資料圈定積水區(qū)，選擇積水區(qū)下方有同忻礦的巷道，確定鉆孔位置，從地面施工鉆孔穿過積水區(qū)打至同忻礦井下巷道進(jìn)行排水。

3.2 井下放水孔

若同忻各盤區(qū)上覆采積水都通過地面放水孔引入井下排水，勢必給同忻礦主排水系統(tǒng)造成巨大壓力，同時(shí)需要巷道掘進(jìn)至放水孔位置，可能延誤放水工作。為緩解同忻礦排水壓力，通過施工井下放水孔將上覆侏羅系采空區(qū)積水引至煤峪口等侏羅系礦井巷道中，通過該礦排水系統(tǒng)排水。同忻北一盤區(qū)上覆煤峪口3、9、11、14號層采空積水，現(xiàn)正開拓煤峪口礦15號層406盤區(qū)，計(jì)劃通過施工井下放水孔，將11、14號層積水引入煤峪口礦排放。條件允許時(shí)，可以使用井下千米水平鉆實(shí)現(xiàn)超長距離放水孔施工。

3.3 地面抽放水孔

不論是施工地面探水孔還是井下探水孔，其必要條件是必須有井下巷道，所以造成了部分下方無巷道的侏羅系采空區(qū)積水無法進(jìn)行有效探放。另外使用地面探放水孔和井下探放水孔進(jìn)行排水必須使用井下排水系統(tǒng)，目前，同忻礦上覆巨額的采空積水，緊張的接替造成排水工作壓力倍增，超過了礦井主排水系統(tǒng)能力?；谝陨系亩喾矫鎲栴}，在積水區(qū)通過施工大口徑地面抽水孔，將采空積水直接通過抽水孔排至地面可以一定程度上減輕排水壓力。2013年已在煤峪口15號層406盤區(qū)上部設(shè)計(jì)抽水孔4個(gè)，完成施工1個(gè)，2014年又增加了5個(gè)。

3.4 井下侏羅系巷道排水

同忻礦上覆侏羅系采區(qū)積水有條件從該礦巷道直接排放。同家梁15號層406盤區(qū)5號層暗斜井便具備這一條件，為此在5#暗斜井配備2臺50 kW潛水泵，增加4寸排水管2趟，日排水能力達(dá)2 100 m3，現(xiàn)已累計(jì)排水103萬方m3。

3.5 直排系統(tǒng)建立

直排系統(tǒng)主要由井下水倉、井下排水泵、管路、地面直排鉆孔組成，其結(jié)構(gòu)原理比較簡單。通過施工地面鉆孔打至井下水倉，然后使用管路將排水泵與直排鉆孔對接，將井下水直接通過直排鉆孔排出地面，不占用主排系統(tǒng)能力，見圖4。特別是對于井下探放出的老空水呈酸性時(shí)，若使用井下排水系統(tǒng)將腐蝕盤區(qū)及礦井主排系統(tǒng)，造成極大的危害。通過直排系統(tǒng)安設(shè)耐酸管路和防腐蝕泵可將酸性水直接排至地面。

圖4 直排系統(tǒng)示意

同忻礦中央水倉配備5臺MD280-65×9水泵，單臺排水能力200 m3/h，3趟273 mm排水管路，正常排水能力9 600 m/d。現(xiàn)在北一盤區(qū)放水孔排水量約2 100 m3/d，若再增加放水孔，主排系統(tǒng)能力不足，需要建立井下直排系統(tǒng)。

目前，同忻礦直排鉆孔位置在二盤區(qū)輔運(yùn)巷里程1 250 m處。同家梁直排系統(tǒng)地點(diǎn)在15號層406盤區(qū)巷舊水倉。煤峪口在15號層406盤區(qū)建立專門的排水系統(tǒng)，通過進(jìn)風(fēng)立井直排地面，均取得了良好效果。

4 結(jié)束語

通過綜合探測技術(shù)探明上覆各層采空區(qū)積水情況，準(zhǔn)確估算了積水量，為合理部署放水工作提供了前提。進(jìn)而協(xié)同各礦以綜合立體排水技術(shù)實(shí)現(xiàn)大量采空積水的及時(shí)有效排放，徹底排除采掘工作面水患，保證了同忻礦的安全生產(chǎn)。