15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)探放水技術(shù)分析

劉海瑞

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

礦井水害是威脅礦井安全掘進(jìn)和回采的主要災(zāi)害之一。礦井水害常見水源為老窯水、地表水、承壓水。為消除礦井水害，我國專家學(xué)者對其治理技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。研究內(nèi)容主要針對以下方面：①老窯水探放水防治技術(shù)。②巷道掘進(jìn)過程中探放水技術(shù)。③工作面回采過程中探放水技術(shù)［1-12］。這些研究主要針對現(xiàn)場工程應(yīng)用，關(guān)于水害機(jī)理研究以及針對不同礦井特性的治理技術(shù)措施研究還有待進(jìn)一步完善。三元微子鎮(zhèn)煤礦15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中出現(xiàn)水量涌出異常，為解決該問題，對該巷道掘進(jìn)區(qū)域水文地質(zhì)情況進(jìn)行分析，采用物探技術(shù)結(jié)合鉆探技術(shù)對該掘進(jìn)工作面水害情況進(jìn)行探測，針對水害情況施工鉆孔探放水，并進(jìn)行后期效果考察。研究方法和研究結(jié)論對于類似礦井相似條件的掘進(jìn)工作面水害防治具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

三元微子鎮(zhèn)煤礦主采煤層為15#煤層，為太原組下部，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度4 m，煤層頂板為粉砂巖，底板為黑色泥巖。15103運(yùn)輸順槽屬一采區(qū)，作為15103回采工作面出煤運(yùn)輸用，巷道設(shè)計(jì)長度600 m，沿煤層掘進(jìn)，起伏較小。巷道斷面為矩形，高度4 m，寬度5 m，采用錨網(wǎng)+鋼帶聯(lián)合支護(hù)。巷道掘進(jìn)方式為炮掘，采用礦用乳化炸藥進(jìn)行掘進(jìn)。當(dāng)巷道掘進(jìn)至290 m區(qū)域時(shí)，掘進(jìn)工作面出現(xiàn)涌水量異常。為了解涌水量異常的水源，在掘進(jìn)工作面施工了5個(gè)探測鉆孔，鉆孔布置如圖1所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。探測鉆孔涌水量情況如圖2所示。

圖1 鉆孔施工

表1 鉆孔參數(shù)

圖2 鉆孔涌水量統(tǒng)計(jì)

5個(gè)鉆孔施工時(shí)間在巷道掘進(jìn)到位后2020年3月15日早班、中班施工完畢，隨后對涌水量進(jìn)行為期31天的觀測。據(jù)圖2可知，4#鉆孔涌水量比較大，呈現(xiàn)增長趨勢。根據(jù)層位計(jì)算結(jié)果可知，4#鉆孔最高點(diǎn)位于開孔位置上方17 m。而1#、5#鉆孔孔底位置位于開孔位置上方8.8 m，該區(qū)域未出現(xiàn)大量水涌出現(xiàn)象。綜合以上鉆孔涌水?dāng)?shù)據(jù)推測，15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面水源來源于前方頂板8.8～17 m層位段內(nèi)。

2 水害分析研究

針對15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)區(qū)區(qū)域水害情況進(jìn)行水文地質(zhì)分析和物探應(yīng)用分析。

2.1 水文地質(zhì)分析

15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)區(qū)域范圍內(nèi)，地表水為漳河水系支流，無常年性河流。主要水源為大氣降水補(bǔ)給。運(yùn)輸順槽頂板標(biāo)高距地表平均距離200 m，地表水通過裂隙通道補(bǔ)給地下水。15#煤層上方15 m范圍為K2巖溶含水層，灰?guī)r厚度6 m，涌水量0.05 L/s.m，滲透率為0.012 m/d，富水性弱，其最大涌水量為12 m3/h。煤層開采過程中形成的導(dǎo)水裂縫帶作為通道，將該區(qū)域水引入下部采面，因此對下部開采形成威脅。

上部13102工作面13#煤層已回采完畢，最低點(diǎn)下距離15103運(yùn)輸順槽13 m，工作面回采完畢后存在老窯水積聚風(fēng)險(xiǎn)，影響下部工作面掘進(jìn)、回采作業(yè)。

綜上所述，15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面出現(xiàn)涌水量異常的主要原因?yàn)椋孩貹2含水層裂隙水。②13102工作面回采完畢后形成的老窯水。

2.2 物探技術(shù)應(yīng)用分析

采用大地電磁法對掘進(jìn)迎頭前方水害情況進(jìn)行探測，效果較好。本次物探采用YCS200礦用瞬變電磁儀進(jìn)行地球物理勘探作業(yè)。斷面為巷道斷面周邊100 m半徑范圍內(nèi)電阻率分布云圖，斷面步長10 m。設(shè)備通過不同斷面電阻率進(jìn)行勘探，將電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪反演分析，獲得掘進(jìn)迎頭前方20 m和80 m斷面電阻率分布，如圖3所示。根據(jù)電阻率對比表可知，水介質(zhì)電阻率比較低，低阻異常區(qū)通常解釋為積水、含水區(qū)域；煤層、巖層電阻率較大，通常顯現(xiàn)為高阻區(qū)域。為更加明確積水區(qū)域，見閾值為160Ω·m的介質(zhì)回歸為類似介質(zhì)光譜。因此煤層、巖層等電阻率較近的介質(zhì)呈現(xiàn)的光譜類似。

圖3 斷面電阻率分布

據(jù)圖3可知，15103運(yùn)輸順槽前方80 m位置點(diǎn)低阻范圍面積比20 m位置點(diǎn)低阻范圍面積大，推測80 m位置點(diǎn)向后低阻面積會(huì)繼續(xù)增大。根據(jù)不同介質(zhì)電阻率閾值分析，低阻區(qū)域?yàn)榉e水異常區(qū)域。根據(jù)積水情況分析，產(chǎn)生斷面積水量變大主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)老窯水；而含水層水量賦存穩(wěn)定，為裂隙水，勘探過程中不會(huì)出現(xiàn)電阻率區(qū)域面積變化過大的現(xiàn)象。

3 探放水技術(shù)

根據(jù)水文地質(zhì)情況分析和物探探測，15103運(yùn)輸順槽前方存在老窯水概率較大，老窯水位于掘進(jìn)斷面前方80 m左右范圍，斷面右?guī)蜕喜课恢?。為消除該區(qū)域水害，實(shí)施3個(gè)探放水孔進(jìn)行排水。探放水孔設(shè)計(jì)如圖4所示，鉆孔參數(shù)如表2所示。

圖4 探放水孔設(shè)計(jì)

表1 鉆孔參數(shù)

一采區(qū)設(shè)有一個(gè)水倉，有效容積900 m2，同時(shí)配備三臺(tái)MD85-45×2型礦用離心泵。于2020年5月10日施工3個(gè)排水鉆孔，鉆孔施工完成后進(jìn)行排水作業(yè)，并對3個(gè)鉆孔涌水量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期為14天，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 探放水孔涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

據(jù)圖5可知，探放水孔第一天涌水量均較大，最大涌水量262 m3/h，第一天至第十天區(qū)間段內(nèi)涌水量下降均比較大；第十四天3#鉆孔涌水量為1 m3/h。現(xiàn)場觀測，第10天開始探放水鉆孔均出現(xiàn)間歇性出水現(xiàn)象，2#、3#探放水孔出現(xiàn)間歇性出水情況較為頻繁。排出的水通過運(yùn)輸順槽水溝流到一采區(qū)水倉，隨后通過排水泵排出。排放水過程中未出現(xiàn)排水功率不足引起的排水不暢。第十五天開始回復(fù)工作面正常掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)涌水異常現(xiàn)象。

綜上所述，物探技術(shù)和鉆探技術(shù)準(zhǔn)確定位了水源為老窯水的位置，通過排水技術(shù)的實(shí)施有效解決了15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面前方的水害問題。

4 結(jié)論

針對15103運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面前方水害問題，經(jīng)水文地質(zhì)分析和采用物探結(jié)合鉆探的方式確定了水害水源，制定專項(xiàng)排水措施，解決了區(qū)域內(nèi)水害問題，得到以下結(jié)論：

1）水文地質(zhì)分析研究表明，該掘進(jìn)區(qū)域水害威脅來源于K2含水層和上部老窯水。

2）物探結(jié)果表明，水害主要原因?yàn)樯戏?3102工作面回采完畢積聚的老窯水，并確定了水害主要位置點(diǎn)為巷道右?guī)蜕喜俊?/p>

3）通過有針對性地實(shí)施探放水鉆孔，并進(jìn)行為期14天的排水作業(yè)，將老窯水排空，為后期安全掘進(jìn)提供了保證。