巷道掘進(jìn)老空區(qū)水害綜合防治技術(shù)

魏效農(nóng)，方 剛，劉 洋，劉星合，白 晶

（1.陜西延長石油礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安710065；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710077；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；5.陜西延長石油集團(tuán) 橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000）

我國西北部煤炭生產(chǎn)基地內(nèi)擁有許多大型礦井正在建設(shè)開發(fā)，其煤質(zhì)優(yōu)良、資源豐富，為各行業(yè)生產(chǎn)提供能源動(dòng)力保障。而受歷史遺留原因所致，其中有部分礦井則面臨周邊或上覆老采空區(qū)及積水的影響，可能對(duì)其安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅[1-2]。由此，礦井在建設(shè)、生產(chǎn)過程中，臨近以往老采空區(qū)附近時(shí)，必須提前分析地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，采取探查和預(yù)防措施應(yīng)對(duì)可能存在的老空水害問題，避免影響礦井安全的危險(xiǎn)或事故發(fā)生[3-4]。

針對(duì)老空區(qū)及積水的形成和發(fā)展、該類水害隱患的探查和防治、其影響的危險(xiǎn)性分析和評(píng)價(jià)等相關(guān)領(lǐng)域，多年以來，業(yè)內(nèi)諸多研究人員及學(xué)者們從不同角度、通過不同手段均開展了深入的研究工作。題正義[5]等運(yùn)用板殼理論和關(guān)鍵層理論建立采空區(qū)覆巖變形破壞力學(xué)分析模型，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬得出最大導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨群偷装迤茐纳疃?，通過上部采空區(qū)積水危險(xiǎn)性判定準(zhǔn)則辨別采空水害影響情況。周禹良[6]等通過構(gòu)建煤巷老空突水LR 型脆弱性指數(shù)預(yù)測(cè)模型，基于羅吉斯回歸原理得出脆弱性指數(shù)與老空突水主控因素的回歸方程，由此獲取突水危險(xiǎn)閾值并劃分危險(xiǎn)區(qū)。于景邨[7]等采用三維時(shí)域有限差分法對(duì)老空水全空間瞬變電磁響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射回線法與巷道掘進(jìn)方向一致時(shí)，巷道掘進(jìn)方向的老空水比兩側(cè)位置的磁場(chǎng)對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)曲線幅值更大，對(duì)應(yīng)視電阻率曲線形態(tài)相同、極小值更低、響應(yīng)時(shí)間更早。姬中奎[8]等針對(duì)大采面老空區(qū)積水采取聯(lián)絡(luò)巷密閉墻安裝泄水閘閥進(jìn)行側(cè)幫放水和在底板低洼處布設(shè)鉆孔進(jìn)行探放水等方法。呂目曉[9]等建立河水水力滲透水文地質(zhì)模型，確定采動(dòng)前后河水滲透補(bǔ)給采空區(qū)積水分為采前低滲流和采后高滲流固液耦合作用2 個(gè)階段，采用帷幕注漿切斷河水與煤層頂板基巖風(fēng)化裂隙含水層之間補(bǔ)給聯(lián)系。張本軍[10]等提出老空水調(diào)查的基本程序和內(nèi)容，總結(jié)了老空水成災(zāi)的主要5 類原因，認(rèn)為預(yù)防老空水害的主要技術(shù)為“探”和“放”，并應(yīng)對(duì)老空積水“查明、探清、放凈、管控”。方俊[11]等將隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合施工定向長鉆孔，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下老空水的精確探查和疏放。佟向陽[12]等針對(duì)我國西南地區(qū)主要存在的采空區(qū)水害問題，提出加強(qiáng)煤礦防治水基礎(chǔ)工作、嚴(yán)厲打擊煤礦超層越界行為、設(shè)立區(qū)域性水害治理機(jī)構(gòu)、加強(qiáng)煤礦防治水專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)等防治對(duì)策。蔣勤濤[13]通過對(duì)比試驗(yàn)對(duì)瞬變電磁法發(fā)射線框的大小、發(fā)射頻率、采樣延遲時(shí)間、發(fā)射電流等進(jìn)行優(yōu)化研究，在資料處理是先進(jìn)行濾波消除噪聲，再進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換去除地形起伏影響，以此探測(cè)復(fù)雜地形地質(zhì)條件下老空水賦存情況。周孟然[14]等提出將模糊C 均值聚類（FCM）算法和多維標(biāo)度分析（MDS）用于激光誘導(dǎo)熒光光譜識(shí)別煤礦老空水和奧灰水等突水水源。黃福泉[15]等使用單臺(tái)礦用射電水探測(cè)儀，應(yīng)用射電定位法在井下對(duì)老空水井下探測(cè)定位，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證，誤差在8%～20%。馮科技[16]針對(duì)淺部大面積老空水害，提出“物探先行、鉆探疏放、巷探驗(yàn)證”的治理技術(shù)方案。李偉[17]等針對(duì)閉坑礦井水害威脅臨近生產(chǎn)礦井情況開展研究，提出進(jìn)行礦界煤柱安全評(píng)價(jià)、積水過程監(jiān)測(cè)、井下鉆孔探查預(yù)疏、泄水巷道超前排水、攔水閘墻設(shè)置、井下明渠流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、閉坑礦井井筒充填加固、老采空區(qū)邊界綜合探查治理等防控技術(shù)。這些研究成果對(duì)老空水害防治具有一定的指導(dǎo)作用，基于此，以榆橫南區(qū)魏墻煤礦二盤區(qū)回風(fēng)大巷延伸掘進(jìn)過程中面臨老空水害影響為例，通過對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析老空水害威脅程度，提出不同階段的探查和防治方法，確保井下大巷的安全掘進(jìn)。

1 研究區(qū)概況

魏墻煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫南區(qū)中北部，隸屬陜西省榆林市橫山區(qū)波羅鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)行政管轄。井田面積約83 km2，首采3 號(hào)煤層，核準(zhǔn)生產(chǎn)能力6 Mt/a。根據(jù)礦井接續(xù)，需對(duì)二盤區(qū)逐步進(jìn)行開拓，其東翼大巷位于盤區(qū)中部，由西向東延伸，在盤區(qū)南部邊界外，存在張家洼小煤礦，其開采時(shí)間早，采空區(qū)分布情況不詳，由于二盤區(qū)開拓大巷緊鄰井田邊界，結(jié)合相關(guān)規(guī)范[18-20]要求需對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行探查，預(yù)防小煤礦老空區(qū)及積水對(duì)大巷開拓掘進(jìn)可能造成的影響和威脅，故以二盤區(qū)東翼大巷延伸掘進(jìn)區(qū)域?yàn)橹饕芯糠秶Ｑ芯繀^(qū)位置示意圖如圖1。

研究區(qū)含煤地層為侏羅系延安組（J2y），底部為三疊系瓦窯堡組（T3w）、侏羅系富縣組（J1f），上覆有侏羅系直羅組（J2z）、安定組（J2a）以及第四系（Q）松散層等。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件與井田類似，均較為簡單，無較大地質(zhì)變化，地層及煤層傾角＜1°，經(jīng)前期勘探及采掘揭露，未發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)水構(gòu)造。

根據(jù)礦井采掘經(jīng)驗(yàn)，井下大巷沿3 號(hào)煤層（煤厚約3.25 m、平均埋深約282 m）掘進(jìn)過程中的直接充水水源為頂板侏羅系延安組第四段含水層水[21]，該含水層（該層段在煤層頂板的厚度約80 m）富水性弱（單位涌水量q≤0.1 L/（s·m）），巷道掘進(jìn)過程中的涌水量基本在30～40 m3/h 左右，一般不會(huì)對(duì)礦井安全造成影響。根據(jù)礦井以往調(diào)查，南部張家洼小煤礦可能存在越界開采現(xiàn)象，二盤區(qū)東翼大巷延伸掘進(jìn)時(shí)主要可能面臨老空區(qū)及積水威脅。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 探查技術(shù)

2.1 前期探查

采用地面三維地震法和瞬變電磁法探查老空區(qū)分布和積水情況[22-23]，從而圈定異常區(qū)，為后續(xù)鉆探工作開展提供靶區(qū)，再通過取心鉆探[24-25]和電視測(cè)井對(duì)老空區(qū)進(jìn)行成果驗(yàn)證。

1）三維地震。通過地面三維地震法，在研究區(qū)解譯了4 處疑似老空異常區(qū)，分別為DK1、DK2、DK3、DK4 號(hào)區(qū)，其均為不規(guī)則形狀，三維地震成果見表1。

表1 三維地震成果表Table 1 The 3D seismic results table

2）瞬變電磁。通過地面瞬變電磁法，在研究區(qū)解譯了2 處老空異常區(qū)，分別為SK1、SK2 號(hào)區(qū)，基本為矩形或矩形組合分布；還解譯了1 處3 號(hào)煤頂板含水層富水異常區(qū)FS-1，為不規(guī)則形狀。SK1 號(hào)區(qū)位于研究區(qū)西部，為明顯低阻異常區(qū)，面積約0.10 km2，推斷為富水異?；蚶喜煽諈^(qū)積水井巷延伸區(qū)域；SK2 號(hào)區(qū)位于研究區(qū)中南部，為中高阻異常區(qū)，面積約0.18 km2，異常區(qū)富水性較弱；FS-1 號(hào)區(qū)表現(xiàn)為3 號(hào)煤層頂板含水層富水異常，但富水性相對(duì)較弱，面積約0.079 km2，分析在井巷工程采掘至該區(qū)域時(shí)，煤層頂板表現(xiàn)為淋水或少量涌水現(xiàn)象。

3）地面鉆探。在研究區(qū)地面共施工有4 個(gè)探查驗(yàn)證鉆孔，分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4 號(hào)鉆孔，地面鉆探成果見表2。

表2 地面鉆探成果表Table 2 The surface drilling results

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面鉆探情況可知，ZK1 號(hào)鉆孔施工過程未發(fā)生漏水和卡鉆現(xiàn)象，煤層及頂?shù)装迦⌒穆柿己?，分析該區(qū)域附近無采空區(qū)分布；在ZK2 號(hào)鉆孔施工至煤層頂板上方時(shí)發(fā)生輕微卡鉆現(xiàn)象，鉆孔可能施工至煤柱位置，造成其頂板取心破碎，分析該區(qū)域附近存在以往老采空區(qū)房柱式開采的老空區(qū)；而在ZK3、ZK4 號(hào)鉆孔施工至煤層頂板上方時(shí)，均發(fā)生輕微卡鉆，且鉆進(jìn)至320～330 m 左右位置時(shí)發(fā)生漏水、掉鉆現(xiàn)象，掉鉆深度約2 m，ZK4 號(hào)鉆孔還出現(xiàn)吸風(fēng)現(xiàn)象，分析這2 個(gè)鉆孔附近區(qū)域存在老空區(qū)。

4）電視測(cè)井。根據(jù)地面鉆探發(fā)現(xiàn)的鉆孔異常情況，采用電視測(cè)井的方法進(jìn)一步對(duì)老空區(qū)探查情況進(jìn)行驗(yàn)證，通過電視測(cè)井照片可直觀發(fā)現(xiàn)老空區(qū)上部裂隙及煤層孔洞，地面鉆孔電視測(cè)井照片如圖2。

綜上所述，通過礦井二盤區(qū)東翼大巷掘進(jìn)前期開展的探查工作可知，研究區(qū)范圍內(nèi)存在一定的老窯采空區(qū)及積水情況，故井下巷道掘進(jìn)前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理設(shè)計(jì)布置井巷工程，并在掘進(jìn)過程中采取超前探查技術(shù)手段預(yù)防老空水害。

圖2 地面鉆孔電視測(cè)井照片F(xiàn)ig.2 The TV logging photo of ground borehole

2.2 掘進(jìn)探查

礦井二盤區(qū)東翼大巷將由北向南依次布置輔運(yùn)、運(yùn)輸、回風(fēng)3 條大巷，各大巷相距40 m，自西向東延伸開拓。根據(jù)前期探查成果，確定大巷掘進(jìn)過程中將面臨揭露老采空區(qū)，故礦井將3 條大巷位置統(tǒng)一向北平移布置，其中，位于最南側(cè)的二盤區(qū)回風(fēng)大巷距離井田邊界約360 m，由前期探查所得的老空區(qū)邊界進(jìn)入魏墻井田內(nèi)最遠(yuǎn)310 m 范圍可知，二盤區(qū)回風(fēng)大巷可能距離南部張家洼老窯采空區(qū)最近距離約50 m 左右，但由于該老采空區(qū)開發(fā)時(shí)間較早，且采掘工藝原始落后，前期探查成果還有待于巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)一步驗(yàn)證，由此，在二盤區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中，超前另外2 條大巷100 m，采用超前探工程（物探+鉆探）對(duì)沿煤層前方掘進(jìn)巷道進(jìn)行老采空區(qū)探查，防止因老空水造成的危害。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》、《煤礦安全規(guī)程》[19-20]等要求（計(jì)算水壓、孔口管長度、孔徑、超前距、終孔距、配備相應(yīng)排水設(shè)施等），結(jié)合超前物探成果，設(shè)計(jì)超前鉆探工程進(jìn)行掘進(jìn)探查。設(shè)計(jì)專用鉆場(chǎng)內(nèi)施工2 個(gè)超前探查鉆孔沿3 號(hào)煤層鉆進(jìn)，平距130 m，探查無異常后允許掘進(jìn)100 m，預(yù)留30 m 安全距離，在此期間，如發(fā)現(xiàn)異常，則另行布設(shè)鉆孔。巷道超前鉆探工程鉆孔平剖面圖如圖3。

圖3 巷道超前鉆探工程鉆孔平剖面圖Fig.3 Borehole plane and section of roadway advanced drilling project

二盤區(qū)回風(fēng)大巷延伸設(shè)計(jì)長度約3 202 m，超前探查工程共布設(shè)有34 個(gè)鉆場(chǎng)，共施工70 個(gè)超前探查鉆孔（含2 個(gè)異常補(bǔ)孔），其中，1#～11#和24#～34#鉆場(chǎng)為原設(shè)計(jì)超前探查平距130 m，12～23 號(hào)鉆場(chǎng)位于老采空區(qū)鄰近區(qū)域，為提高和保證探查精度和可靠性，故變更為超前探查平距110 m，探查無異常后允許掘進(jìn)80 m，預(yù)留30 m 安全距離（鉆孔布置形式同原設(shè)計(jì)）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探查發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中所施工超前鉆孔大部分為干孔（57 個(gè)鉆孔、占比81.4%），少量為淋水（淋水情況基本按0.001 m3/h 計(jì)算，10 個(gè)鉆孔、占比14.3%），個(gè)別鉆孔出水1 m3/h左右（3 個(gè)鉆孔、占比4.3%）。

在31#鉆場(chǎng)施工的2 個(gè)鉆孔中，31-1#鉆孔在鉆進(jìn)過程中局部（鉆進(jìn)至84～89 m 處，回風(fēng)大巷里程約2 884～2 889 m 處位置）出現(xiàn)黃色泥質(zhì)物，終孔出水1 m3/h；31-2#鉆孔自開始施工至終孔無出水情況，由此，出于安全角度考慮，在距離31-1#鉆孔出現(xiàn)黃色泥質(zhì)物位置前20 m 處進(jìn)行補(bǔ)充2 個(gè)鉆孔進(jìn)行再次探查，具體為在煤層巷道掘進(jìn)迎頭施工2 個(gè)超前探鉆孔，沿煤層鉆進(jìn)，超前探測(cè)距離50 m，掘進(jìn)20 m，預(yù)留30 m 安全距離，2 個(gè)補(bǔ)充超前探鉆孔形態(tài)同前設(shè)計(jì)，即31’-1#鉆孔沿巷道方向，31’-2#鉆孔向南偏移，終孔距巷幫16 m（區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)塑性區(qū)基本在5 m 左右）[26-27]。

經(jīng)再次探查，31’-1#孔鉆進(jìn)距離50 m，31’-2#孔鉆進(jìn)距離51 m，該2 個(gè)鉆孔在鉆進(jìn)過程中再未出現(xiàn)黃色泥質(zhì)物，終孔出水均約1 m3/h，無壓力、無異常氣體涌出。由此分析之前31-1#鉆孔出現(xiàn)異常為區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)煤田含煤巖系延安組煤層在沉積過程中局部的沖刷或風(fēng)化帶膠結(jié)物，一般情況下對(duì)礦井安全生產(chǎn)及該巷道掘進(jìn)影響不大，回風(fēng)大巷可繼續(xù)安全掘進(jìn)。經(jīng)井下掘進(jìn)揭露，再未出現(xiàn)異常情況，最終二盤區(qū)回風(fēng)大巷完成延伸掘進(jìn)任務(wù)。

3 水化學(xué)測(cè)試

通過采集二盤區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中超前鉆孔出水水樣（2 組）和掘進(jìn)巷道頂板錨索淋水水樣（1組）進(jìn)行水質(zhì)全分析，對(duì)比以往開采的6 個(gè)工作面頂板探放水鉆孔水樣（12 組），以及區(qū)內(nèi)老空水水樣（3組），分析其離子含量、水質(zhì)類型及水化學(xué)特征[28-29]，以此判別巷道掘進(jìn)過程中鉆孔是否探查到老空水。

1）以往工作面頂板水。礦井先期開采有1301、1303、1305、1307、1309、1311 工作面，在采前對(duì)工作面回采后可能波及的頂板侏羅系直羅組底部和延安組砂巖含水層水進(jìn)行疏放，選取采集水樣18 組進(jìn)行水質(zhì)全分析測(cè)試。發(fā)現(xiàn)其pH 值在7.51～7.96 之間，均為偏堿性水，共礦化度在8 010.0～10 316.4 mg/L之間，屬咸水（鹽水濃度10 000 mg/L）。Na+濃度為2 355.2～2 834.9 mg/L，Ca2+濃度239.3～455.9 mg/L，SO42-濃度為5 170.3～6 734.0 mg/L，Cl-濃度121.4～327.9 mg/L，HCO3-濃度為144.5～188.6 mg/L，水質(zhì)類型均屬SO4-Na 型水，以往開采工作面頂板水Piper圖如圖4。

圖4 以往開采工作面頂板水Piper 圖Fig.4 Piper map of roof aquifers water in previous mining face

2）本次巷道掘進(jìn)鉆孔水和區(qū)內(nèi)老空水。二盤區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中發(fā)生有個(gè)別鉆孔少量出水（1 m3/h），并伴隨有少量黃色泥質(zhì)物，分析為煤系地層沉積沖刷弱膠結(jié)物。結(jié)合巷道掘進(jìn)后支護(hù)錨索淋水（侏羅系延安組含水層水），與區(qū)內(nèi)老空水采集水樣進(jìn)行對(duì)比分析，判斷本次鉆孔出水的水質(zhì)特征和來源。

本次超前探查鉆孔出水水樣其pH 值在7.84～7.92 之間，顯示為弱堿性水，其礦化度在9 212.4～9 368.6 mg/L 之間。Na+濃度為2 685.8～2 703.1 mg/L，Ca2+濃度為302.6～335.2 mg/L，SO42-濃度為5 557.1～5 716.2 mg/L，Cl-濃度為355.3～368.7 mg/L，HCO3-濃度為239.0～256.1 mg/L，水質(zhì)類型也為SO4-Na 型水。而采集的老空水水樣含量則有所差異，其pH 值在5.8～6.2 之間，顯示為弱酸性水，礦化度在4 897.2～5 031.4 mg/L 之間。Na+濃度為4.32～7.19 mg/L，Ca2+濃度223.8～275.9 mg/L，SO42-濃度397.1～422.3 mg/L，Cl-濃度為1.5～5.8 mg/L，HCO3-濃度為173.8～233.9 mg/L，水質(zhì)類型也為SO4·HCO3-Ca·Mg 型水，巷道掘進(jìn)出水與老空水Piper 圖如圖5。

圖5 巷道掘進(jìn)出水與老空水Piper 圖Fig.5 Piper map of roadway tunneling water samples and goaf water

3）綜合分析。根據(jù)以往工作面頂板含水層水樣、本次巷道掘進(jìn)超前鉆孔水樣、巷道頂板錨索水樣和老空水樣進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本次巷道掘進(jìn)超前鉆孔水樣與煤層頂板含水層的水質(zhì)類型、離子含量及水化學(xué)特征等相近，而區(qū)內(nèi)老空水水樣與其他水體的水質(zhì)特征則相差較大，故認(rèn)為礦井二盤區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中超前探查鉆孔未揭露老采空區(qū)，對(duì)此，水化學(xué)測(cè)試成果在整個(gè)巷道完成掘進(jìn)后未發(fā)現(xiàn)老礦井巷道及以往采掘痕跡也可作為相互驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

1）井下二盤區(qū)各大巷延伸掘進(jìn)掘進(jìn)過程中頂板充水來源于侏羅系延安組砂巖弱富水含水層，對(duì)掘進(jìn)影響不大，而井田邊界南部的張家洼老礦井采空區(qū)則存在較嚴(yán)重威脅。

2）在回風(fēng)大巷掘進(jìn)前期，開展地面三維地震、瞬變電磁等物探工程圈定老采空區(qū)及富水異常區(qū)，而后采用地面鉆探和電視測(cè)井的方法進(jìn)行直觀驗(yàn)證，確定未來大巷掘進(jìn)區(qū)域存在有老采空區(qū)。

3）在回風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中，采取井下超前鉆探對(duì)前方是否存在老采空區(qū)及積水情況進(jìn)行探查；并通過鉆孔出水和以往水樣、老空水樣等進(jìn)行水化學(xué)特征對(duì)比分析，最終判斷確定回風(fēng)大巷延伸不受老空水影響，保證巷道安全完成掘進(jìn)工作。