大同礦區(qū)多層采空區(qū)綜合探測(cè)技術(shù)

郭興泉

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司地質(zhì)勘測(cè)處，山西省大同市，037003）

大同煤田為“雙系”煤田，主要賦存晚古生代石炭-二疊系和中生代侏羅系煤層，煤田大致為橢圓形盆地，走向?yàn)楸睎|～南西向［1］。北東向長(zhǎng)85 km，南東寬約30 km，總面積為1827 km2。其中，侏羅系煤田面積約772 km2，石炭-二疊系煤田面積為1739 km2，與侏羅系煤田重疊面積達(dá)684 km2，大同“雙系”煤田賦存情況如圖1所示。

1 大同煤田“雙系”煤層情況簡(jiǎn)介

侏羅系含煤地層為中侏羅統(tǒng)大同組，地層厚度75～264 m，一般為210 m。該煤系分11個(gè)煤組21層可采煤層，多為比較穩(wěn)定與不穩(wěn)定煤層，煤層總厚一般為21 m，含煤率10%左右，煤層層數(shù)多、間距近，合并分叉頻繁［2］。

二疊系山西組含煤4層，只有山4#煤層在全區(qū)大部分地區(qū)可采，區(qū)內(nèi)山西組煤層總厚平均為4.06 m，含煤系數(shù)為9%。

石炭系太原組含煤10層，煤層總厚度0.11～51.13 m，一般厚度為15～25 m，平均厚度為18.84 m，含煤系數(shù)達(dá)27%，其中3#、5#、8#煤層為主要可采煤層，賦存穩(wěn)定；整個(gè)煤層厚度由北東向南西呈增加趨勢(shì)［3］。塔山井田煤層厚度普遍大于20 m，最厚處達(dá)到40 m以上。

圖1 大同“雙系”煤田煤層賦存簡(jiǎn)圖

2 大同礦區(qū)“雙系”煤層開采現(xiàn)狀及存在問題

目前大同煤田侏羅系煤層的開采基本接近尾聲，僅存部分12#、14#煤層正在開采，大部分礦井均已開拓延伸至石炭-二疊系煤層，是當(dāng)前大同礦區(qū)的主采區(qū)。

大同煤田侏羅系煤層開采歷史可追溯至1500多年前，但前些年的“有水快流”政策導(dǎo)致小煤窯興起，超層越界情況極為嚴(yán)重［4］，比如，同煤集團(tuán)云崗井田范圍內(nèi)小煤窯共37座，燕子山井田范圍內(nèi)及周邊小煤窯54座，馬脊梁井田范圍內(nèi)小煤窯48座，四臺(tái)井田范圍內(nèi)及周邊小煤窯45座，小煤窯采空情況復(fù)雜，基本無資料可尋，且由于超層越界與大礦采空區(qū)縱橫交錯(cuò)，采空層位多，致使采空區(qū)探測(cè)難度增加，同時(shí)采空區(qū)低洼處的積水給煤礦正常生產(chǎn)造成威脅。

大同煤田石炭系煤層目前開始大規(guī)模開采，與侏羅系最下組煤層層間距在80～450 m左右，由于煤層厚度大，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，容易導(dǎo)通上覆侏羅系采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的積水、積氣情況對(duì)煤礦安全生產(chǎn)形成威脅，因此上覆侏羅系采空區(qū)及積水探測(cè)成為當(dāng)前石炭系煤層開采的重點(diǎn)，而由于上覆侏羅系層間距較大，井下常規(guī)鉆機(jī)的探測(cè)深度與精度又制約著采空區(qū)探測(cè)的準(zhǔn)確度。

大同礦區(qū)面對(duì)侏羅系采空層數(shù)多、小煤窯超層越界開采嚴(yán)重且無資料可尋以及石炭系與侏羅系采空區(qū)層間距大、鉆探局限性多等多重復(fù)雜因素，在長(zhǎng)期、大量的工作摸索中，總結(jié)出一套針對(duì)“雙系”煤田復(fù)雜采空區(qū)探測(cè)的手段與方法，有效解決了復(fù)雜采空區(qū)探測(cè)難題，保障了大同礦區(qū)各個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)。

3 大同礦區(qū)多層采空區(qū)探測(cè)方法與技術(shù)研究

3.1 資料收集追溯法

資料收集追溯法，顧名思義，就是通過各種手段收集礦井實(shí)際的采掘現(xiàn)狀，包括本礦采掘資料留存、與周邊相鄰礦井建立定期對(duì)圖制度等，這主要針對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)礦井，通過對(duì)圖、交換圖等方法對(duì)各層采空區(qū)基本情況進(jìn)行準(zhǔn)確掌握。

而對(duì)于已關(guān)閉小煤窯、古井、古窯的資料收集追溯，一是通過到當(dāng)?shù)孛禾抗I(yè)管理局、國(guó)土與勘查勘探部門收集小窯的采掘資料、圖紙；二是開展社會(huì)走訪，詢問當(dāng)時(shí)在小窯工作的測(cè)工、技術(shù)人員等，了解小窯的采掘范圍、采掘方法、開采時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間以及出煤量等，并到小窯對(duì)應(yīng)地表進(jìn)行調(diào)查，確定小窯的井口位置、井筒類型與方位傾角等，根據(jù)上述方法收集的資料分析、預(yù)測(cè)和劃定小煤窯開采或破壞的大致范圍。

3.2 物探方法在大同礦區(qū)探測(cè)采空區(qū)中的應(yīng)用

大同礦區(qū)在采空區(qū)探測(cè)方面運(yùn)用較多的物探手段是高密度電阻率法。高密度電阻率法是以巖石的電性差異為基礎(chǔ)的一類勘探方法，高密度電法實(shí)際上是集中了電剖面法和電測(cè)深法，其原理與普通電阻率法相同，不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)［5-6］。在此以樹兒里礦為例介紹高密度電法在探測(cè)采空區(qū)中的應(yīng)用。

樹兒里礦C3#煤層上覆存在C3-1#煤層小窯破壞區(qū)（局部與3#煤層合并），煤厚平均3.5 m，與C3#煤層間距4 m左右。小窯巷道基本在上覆C3-1#煤層或合并層煤層頂部掘進(jìn)。為確保礦井C3#煤層302-2回風(fēng)巷安全掘進(jìn)，探清上覆C3-1#煤層小窯破壞情況，采用重慶奔騰高密度電法儀進(jìn)行探測(cè)工作，探測(cè)302-2回風(fēng)巷長(zhǎng)度總共180 m，302-2回風(fēng)巷布置測(cè)點(diǎn)60個(gè)，點(diǎn)間距為3 m。一次性采集數(shù)據(jù)，共計(jì)物理點(diǎn)61個(gè)。

C3#煤層302-2回風(fēng)巷高密度測(cè)深直流電法探測(cè)成果解釋：依據(jù)本區(qū)域鉆孔視電阻率測(cè)井曲線顯示，煤層電阻率值為90～150Ω·m，選取120Ω·m為背景值。C3#煤層302-2回風(fēng)巷高密度電法成果如圖2所示。由圖2可以看到，區(qū)域內(nèi)有2處電性特征值及形態(tài)有明顯變化的區(qū)域，異常區(qū)1位于工作面90～110 m區(qū)域，異常區(qū)2位于工作面163～190 m區(qū)域，視電阻率值均達(dá)到700Ω·m左右，較其他區(qū)域相對(duì)較高，其橫向上視電阻率等值線形態(tài)和連續(xù)性有明顯的變化，綜合判斷為采空區(qū)電性反應(yīng)。

圖2 C3#煤層302-2回風(fēng)巷高密度電法成果圖

針對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，即上覆C3-1#煤層疑似小窯破壞區(qū)共施工4個(gè)鉆孔，4個(gè)孔均探通小窯巷道，且巷道中未見采空積水，證明了物探異常成果比較準(zhǔn)確。

3.3 鉆探方法在大同礦區(qū)采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

鉆探作為采空區(qū)探測(cè)手段中最為直接也最為準(zhǔn)確有效的方法，是大同礦區(qū)采空區(qū)探測(cè)的基本手段之一，主要是從地面向井下施工鉆孔和在井下采掘工作面向上覆采空區(qū)施工鉆孔進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證采空區(qū)及積水情況，這對(duì)于采空區(qū)位置較準(zhǔn)確的情況較為適合，但對(duì)于采空區(qū)具體位置不準(zhǔn)確的情況，仍然可以充分利用鉆探手段，并結(jié)合實(shí)際工作條件綜合分析。

3.3.1 充分利用已施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)一孔多用

煤礦在開采過程中經(jīng)常需要施工大量鉆孔，其中包括探放水孔、物探驗(yàn)證孔、煤層補(bǔ)勘孔、瓦斯抽放孔、電纜孔、下料孔、科研孔等。在大同礦區(qū)，這些鉆孔在布設(shè)過程中就要綜合考慮分析，在滿足鉆孔施工目的的同時(shí)，盡量做到一孔多用，比如石炭系采煤工作面瓦斯抽放孔可以兼做探測(cè)上覆侏羅系采空區(qū)及積水情況鉆孔，施工過程中如遇采空區(qū)有水，可以根據(jù)實(shí)際情況將鉆孔改造成地面探放水孔、地面抽水井等，一個(gè)鉆孔往往可以有效解決多重問題。

3.3.2 有效鉆孔終孔位置反推煤層與采空區(qū)形態(tài)

有效鉆孔是指揭露探測(cè)目的層位的鉆孔，包括地面及井下的各類鉆孔，有效鉆孔的成果不僅是見采空區(qū)或者見實(shí)煤，還能揭露煤層或采空區(qū)的厚度、煤層的底板標(biāo)高。同時(shí)，再輔以鉆孔測(cè)井技術(shù)，這對(duì)于沒有資料的小窯破壞區(qū)十分重要，可以充分利用有效鉆孔的這些數(shù)據(jù)，繪制目的層的煤層底板等高線、鉆孔見采空區(qū)位置分布圖，進(jìn)而推測(cè)小窯采空區(qū)的破壞范圍、巷道走勢(shì)等。進(jìn)一步地，再依據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)低洼處、可疑區(qū)進(jìn)一步增補(bǔ)探孔，進(jìn)而達(dá)到采空區(qū)探測(cè)、積水排放和安全采掘的目的。

3.3.3 井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在探測(cè)采空區(qū)中的應(yīng)用

井下定向鉆進(jìn)技術(shù)具有探測(cè)深度大、探測(cè)精度高的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了當(dāng)前地面普通鉆機(jī)在無巷道情況下不能放水、定向性差、受地形因素制約嚴(yán)重、井下鉆機(jī)鉆進(jìn)深度淺、鉆孔精度低的缺點(diǎn)［7］，該技術(shù)在大同礦區(qū)已廣泛使用。在此以煤峪口礦為例，簡(jiǎn)單介紹定向鉆進(jìn)技術(shù)在探測(cè)采空區(qū)、疏放采空區(qū)積水中的應(yīng)用。

煤峪口礦14#煤層402盤區(qū)主要水患集中在上覆11#煤層402盤區(qū)的多個(gè)采空區(qū)內(nèi)，預(yù)計(jì)積水量65.7萬m3。為了清除采空積水影響，解放14#煤層402盤區(qū)煤炭資源，在402盤區(qū)采煤工作面未開拓前，在900大巷共設(shè)計(jì)施工3個(gè)井下定向鉆孔疏放11#煤層采空積水，定向鉆孔累計(jì)進(jìn)尺2200 m，放水65萬m3，目前仍以700 m3/d的速度在排水，具體鉆孔軌跡如圖3所示。

圖3 煤峪口礦900大巷疏放11#層采空區(qū)積水定向鉆孔軌跡示意圖

3.3.4 綜合立體探放技術(shù)在“雙系”煤田老空水疏放中的應(yīng)用

隨著大同礦區(qū)礦井不斷延深開采，面臨的水患情況不再是單一類型，解除一個(gè)工作面水患往往需要多種技術(shù)方法綜合應(yīng)用［8］，為此建立了一套“雙系”煤田老空區(qū)積水綜合立體探放技術(shù)，如圖4所示，即通過井下水倉(cāng)地面永久排水系統(tǒng)、地面探放水孔井下排水、地面鉆孔貫通采空區(qū)直排系統(tǒng)、地面大孔徑抽水井、井下深孔放水、老礦井分流等多種方法對(duì)老空區(qū)積水進(jìn)行立體探放，并已在多礦進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。以同忻礦為例，石炭系5#煤層開采受上覆侏羅系3#、8#、12#、14#等多層、大面積老空水的影響，通過綜合應(yīng)用多種探放水技術(shù)方法對(duì)積水立體排放，總排水量達(dá)700多萬m3，成功解除了工作面水患。

圖4 綜合立體疏放技術(shù)示意圖

4 結(jié)語

大同礦區(qū)由于雙系煤層賦存，且賦存層位多，開采后采空區(qū)內(nèi)積水積氣、礦壓顯現(xiàn)等為下組煤開采乃至礦井安全生產(chǎn)都造成一定威脅，以上相關(guān)技術(shù)是大同礦區(qū)多年來在采空區(qū)綜合探測(cè)治理方面總結(jié)出的一些切實(shí)可行的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與手段，在實(shí)際采空區(qū)探測(cè)過程中往往綜合運(yùn)用多種探測(cè)手段，以提高探測(cè)準(zhǔn)確性。