大同市焦煤礦公司一礦工作面防治水技術(shù)研究

魏向軍

（大同市焦煤礦有限責(zé)任公司）

大同市焦煤礦公司一礦井田面積為5.461 8 km2，批準(zhǔn)開采石炭系上統(tǒng)太原組2#、4#、5#、8#、9#煤層。4#、5#、8#、9#煤層均為中厚煤層，除局部區(qū)域外，基本全區(qū)可采，開采方式為綜采放頂煤。礦井工業(yè)廣場布置在井田東南部邊界以外1 km左右的山前坡地處，場地標(biāo)高為1 140.0～1 230.0 m。主運輸巷道通過集中煤倉、聯(lián)絡(luò)斜巷與主水平聯(lián)系，輔助運輸、回風(fēng)直接通過軌道斜巷、回風(fēng)斜巷與主水平聯(lián)系；水平之間主輔運輸及回風(fēng)通過皮帶暗斜井、軌道斜井、回風(fēng)暗斜井相互聯(lián)系。全井田共劃分5個盤區(qū)。

井田位于晉北黃土高原，大同煤田的東南部，口泉山脈西側(cè)，總體為傾向北西的單斜山脈地形，靠近口泉山脈地形陡峻，從煤層露頭向北1 000 m左右，地形變緩；井田最高點位于礦井南部的清涼山，標(biāo)高1 647.6 m，最低點位于礦井東南部峪子溝溝口，標(biāo)高1 232.8 m，相對高差近415 m，井口位于鵝毛口河南側(cè)，奧陶系灰?guī)r在井田東南部邊緣有出露。井田范圍外無小煤窯，為其他礦井邊界及采空區(qū)；井田范圍內(nèi)僅在東南角由礦原勞動服務(wù)公司開辦2個小窯，現(xiàn)均已關(guān)閉。

目前礦井防治水工作日益艱巨，亟需開展防治水技術(shù)研究，解決井下工作面水害問題［1-6］。

1 礦井地質(zhì)水文情況

1.1 以往水文地質(zhì)工作

（1）以往水文地質(zhì)工作取得的主要成果。在鵝Ⅱ區(qū)勘探期間對區(qū)內(nèi)的井泉做了水文地質(zhì)調(diào)查，進行了鉆孔簡易水文觀測。其次，對鄰區(qū)的鵝36#、鵝39#、鵝61#3個水文孔（位于鵝Ⅰ區(qū)）進行了詳細(xì)描述，周邊水文孔布置較為合理，抽水試驗質(zhì)量較為可靠，通過鄰區(qū)水文地質(zhì)資料，基本可以了解本區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件。另外，通過以往水文地質(zhì)工作，基本查清了礦井地表水對煤層開采的影響程度以及本礦井和相鄰礦井采空區(qū)積水范圍、積水量、積水位置，對今后礦井的防治水工作具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）以往水文地質(zhì)工作存在的不足。一礦位于鵝毛口勘探區(qū)鵝I區(qū)南部和鵝Ⅱ區(qū)中部地帶，在礦界范圍內(nèi)共有28個鉆孔，工程量為9 570.17 m。限于當(dāng)時的勘探技術(shù)水平，與現(xiàn)行煤田地質(zhì)勘查規(guī)范的要求存在一定的差距。主要問題：一是所取得的鉆探資料僅有煤層資料，缺少物探測井驗證資料；二是各煤層鉆探資料僅有長度采取率，缺少鉆孔封孔質(zhì)量評價；三是所有的鉆孔均無孔斜資料。

1.2 需要查明的地質(zhì)水文問題

（1）礦井鉆孔均為20世紀(jì)50年代所施工，鉆孔無測井資料，個別鉆孔如42#孔在4#煤層底終孔，6#、42#、65#、68#鉆孔沒有探到下部8#、9#煤層，因此，建議進行補充勘探來提高資源儲量級別。

（2）礦井水文地質(zhì)資料尤其是對奧灰水的水文地質(zhì)勘探工作太少，無鉆孔揭露奧灰?guī)r，僅根據(jù)礦井西北部的61#孔和柴溝煤礦深水井對灰?guī)r的水文地質(zhì)條件進行了敘述。雖然近期在焦煤二礦井筒附近施工了2個水文孔，但資料仍未正式提供，應(yīng)盡快查明奧灰水位標(biāo)高，以便及時指導(dǎo)生產(chǎn)。

（3）由于本礦采空區(qū)范圍較大，礦井內(nèi)部的2個小窯封閉時間較長，需預(yù)防采空區(qū)積水涌入生產(chǎn)區(qū)，造成水災(zāi)。

2 礦井防治水技術(shù)

2.1 煤層底板高壓灰?guī)r水帶壓開采技術(shù)

針對煤層底板高壓灰?guī)r水，采用外用內(nèi)防的方法，在灰?guī)r積水層外圍積極開發(fā)、取用強含水層水，使補給資源量和大部分儲存資源量最大限度被開發(fā)利用而減少，降低區(qū)域奧灰水水位標(biāo)高，減少向承壓區(qū)補給徑流的地下水水量，進一步降低承壓區(qū)水壓，創(chuàng)造對直接充水含水層疏干的水力環(huán)境，使間接充水含水層轉(zhuǎn)化為直接充水含水層的范圍大大縮小。在此基礎(chǔ)上，如礦井內(nèi)部再適當(dāng)采取注漿封堵等預(yù)防措施，能夠保證安全生產(chǎn)。

由于4#、5#、8#煤層實際生產(chǎn)中并未受奧灰水影響，說明本區(qū)奧灰水連通性及補充水源并不是很好，今后根據(jù)礦井實際情況，參考虎龍溝、塔山及區(qū)域水文資料，深入研究奧灰水補給、分布、徑流、水量、排泄等規(guī)律，為今后防治水工作提供依據(jù)。

2.2 掘進巷道防治水技術(shù)

掘進巷道必須堅持“有掘必探，先探后掘，長探短掘”的原則，掘進過程中，保證留有足夠的安全距離，安全距離至少為30 m。

（1）根據(jù)地質(zhì)資料，做好掘進工作面水文地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作。

（2）認(rèn)真開展物探工作，利用瞬變電磁法在掘進工作面前方及兩幫進行超前探測，根據(jù)物探結(jié)果，利用鉆探對異常區(qū)進行及時驗證。

（3）加強鉆探工作。鉆探工作是井下探放水最可靠、準(zhǔn)確的方法，鉆探過程中，要嚴(yán)格按照探放水設(shè)計進行施工，保證鉆孔位置、角度、長度符合設(shè)計要求，在接近礦井邊界、地質(zhì)構(gòu)造、小窯采空區(qū)等特殊區(qū)域時，編制專項探放水措施，并將各項制度措施落實到位。

（4）疏排水。對于已經(jīng)探明的老空積水、構(gòu)造導(dǎo)水，根據(jù)老空積水、構(gòu)造導(dǎo)水情況以及礦井排水能力、生產(chǎn)現(xiàn)狀幾個方面進行整體平衡排放。

2.3 采掘工作面防治水技術(shù)

2.3.1 綜合物探

對所有的掘進工作面采用瞬變電磁法進行物探，每80 m組織1次，預(yù)計共組織物探約335次；對所有的回采工作面組織坑透探測，計劃探測8次。針對采掘計劃范圍內(nèi)工作面經(jīng)過的斷層、陷落柱、褶曲等可能的導(dǎo)水構(gòu)造組織專項物探，對未知水體及導(dǎo)水構(gòu)造進行詳細(xì)解釋，并進行驗證，達到安全掘進、回采的目的。

2.3.2 陷落柱的調(diào)查

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，礦井內(nèi)有X1、X2、X3共3處陷落柱，均位于305盤區(qū)內(nèi)，其中，X1陷落柱位于4#層305盤區(qū)8501工作面內(nèi)，該工作面已回采完畢，回采揭示情況顯示，該陷落柱圈定范圍僅為地質(zhì)異常區(qū)，無明顯的陷落柱特征。X2陷落柱位于4#層305盤區(qū)5505巷道520 m處左側(cè)，在巷道掘進過程中已對該陷落柱圈定范圍進行了探測，未發(fā)現(xiàn)異常。X3陷落柱位于4#層305盤區(qū)8307工作面切眼附近，未揭露，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該陷落柱為長軸105 m、短軸83 m的不規(guī)則橢圓形。

2.3.3 廢棄鉆孔突水防治

廢棄鉆孔突水防治主要有2種方法：①加強地面鉆孔的巡查力度，發(fā)現(xiàn)封閉不良鉆孔應(yīng)及時注漿封閉。②當(dāng)采掘活動靠近鉆孔時，提前制定鉆孔探測方案，探明鉆孔導(dǎo)水情況。

2.3.4 采空區(qū)積水

根據(jù)本次調(diào)查及估算，井田內(nèi)及相鄰礦井4#、5#、8#煤層部分采空區(qū)存在積水。

（1）4#煤層采空積水情況。目前井田內(nèi)4#煤層存在1處采空積水區(qū)，位于305盤區(qū)8503采空區(qū)內(nèi)，積水量均較小，為0.29萬m3。未來5 a對4#煤層開采有影響的區(qū)域主要為南部301、302盤區(qū)采空區(qū)，該區(qū)域目前積水已放空，但不排除以后生產(chǎn)中地表水滲入形成積水，因此，應(yīng)加強井下探水孔的觀測工作。相鄰礦中北部柴溝煤礦4#煤層有1處采空積水，積水量5.43萬m3，位于本井田的下山區(qū)段，無影響；據(jù)本次調(diào)查，位于305盤區(qū)8503、8505、8507工作面的上山區(qū)域與本井田無越界開采現(xiàn)象，且該積水區(qū)距離規(guī)劃工作面較遠(yuǎn)，影響較??；該積水區(qū)標(biāo)高低于本井田4#煤層開采標(biāo)高，與本礦有柴溝煤業(yè)相隔，因此，對本井田影響小。井田內(nèi)及相鄰礦井4#煤層采空積水情況見表1。

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（2）5#煤層采空積水情況。井田內(nèi)5#煤層存在2處采空積水區(qū)，分別位于301盤區(qū)東南部（0.079萬m3）和南部（0.296 4萬m3），未來5 a 5#煤層主要采掘規(guī)劃范圍位于303、305盤區(qū)內(nèi)，因此，5#煤層采空積水區(qū)對未來5 a的開采影響小。相鄰礦中西南部何家堡煤業(yè)5#煤層有3處空積水，積水量共3.09萬m3，位于305盤區(qū)上山區(qū)域，積水標(biāo)高高于本井田煤層開采深度，因此，對本井田305盤區(qū)的開采有一定的影響；井田內(nèi)及相鄰礦井5#煤層采空積水情況見表2。

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（3）8#煤層采空積水情況。井田內(nèi)8#煤層存在2處采空積水區(qū)，分別位于301盤區(qū)（0.158 2萬m3）、302盤區(qū)（0.208 5萬m3），未來5 a不計劃開采8#煤層，因此，對未來5 a的開采影響小。相鄰礦中8#煤層均未開采，無采空積水區(qū)。井田內(nèi)8#煤層采空積水情況見表3。

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2.4 老空區(qū)積水探測技術(shù)

2.4.1 瞬變電磁法

采用瞬變電磁法進行煤礦老空區(qū)積水探測。瞬變電磁法是通過在指定位置鋪設(shè)專門的不接地回線，并通過探測儀器向地下發(fā)送脈沖電磁場，以及通過設(shè)備的探頭或者提前鋪設(shè)的線框，對地下礦體在激發(fā)作用下出現(xiàn)的實際渦流場進行觀測與記錄，來實現(xiàn)對煤礦老空區(qū)積水情況的全面勘探。主要具備以下幾方面優(yōu)勢。

（1）瞬變電磁法對應(yīng)用環(huán)境的要求較低，可以在多種地理環(huán)境或者野外進行實時地積水探測工作。

（2）瞬變電磁法在實際的煤礦老空區(qū)積水探測工作中，通常具備著探測效率較高以及探測范圍較大的特點，可以有效提高煤礦老空區(qū)積水勘探工作的探測速度與工作效率。

（3）瞬變電磁法的應(yīng)用成本通常較低，應(yīng)用瞬變電磁法進行煤礦老空區(qū)的積水勘探工作，可以有效降低勘探工作的成本投入。

（4）瞬變電磁法通常具備顯著的分辨能力與探測能力，在煤礦老空區(qū)積水探測工作中應(yīng)用，可以有效提高積水探測工作的探測質(zhì)量與探測準(zhǔn)確性，保障煤礦開發(fā)與維護工作的安全性與穩(wěn)定性。

2.4.2 激發(fā)極化法

采用激發(fā)極化法進行煤礦老空區(qū)積水探測。激發(fā)極化法是以地殼中巖層與礦石在激電反應(yīng)方面的差異為基本依據(jù)，通過對激電場分布規(guī)律的觀測與分析，勘探出煤礦老空區(qū)的實際積水情況與積水位置。主要具備以下幾方面優(yōu)勢。

（1）應(yīng)用激發(fā)極化法進行實際的勘探工作，可以捕捉到很多較小的激電異常，即使是在極化反應(yīng)較微弱的條件下進行勘探工作，也可以準(zhǔn)確地勘探出老空區(qū)實際的積水情況。

（2）在斷電之后，對激電二次場的變化情況進行觀察與分析，其激電異常通常更為明顯。

（3）擁有較長時間對激電異常場的變化情況進行觀察與分析，可以極為顯著地提高煤礦老空區(qū)積水探測工作的全面性與準(zhǔn)確性。

（4）激發(fā)極化法具備分辨率較高的特點，可以在準(zhǔn)確提供電阻率參數(shù)的同時，全面提供相關(guān)的極化率等參數(shù)，可以從不同的角度全面分析老空區(qū)的巖體情況與積水情況［2］。

2.4.3 可控源音頻大地電磁法

采用可控源音頻大地電磁法進行煤礦老空區(qū)積水探測?？煽卦匆纛l大地電磁法是以有限長接地電偶極子為基礎(chǔ)場源，在距離偶極中心一定范圍內(nèi)對煤礦老空區(qū)的電、磁場參數(shù)進行實時觀測，通過人工控制場源的方式來實現(xiàn)對探測頻率及探測深度的控制，進而有效提高煤礦老空區(qū)積水探測工作的靈活性與可控性。此外，還可以采用直流電測深法的方式進行煤礦老空區(qū)的積水探測工作，通過逐漸增加探測點的供電電極距，加深探測深度，以及通過對探測區(qū)域電阻率變化情況的觀測與分析，實現(xiàn)對煤礦老空區(qū)積水情況的準(zhǔn)確探測。

3 結(jié)論

煤礦井下工作面布置復(fù)雜，針對礦井防治水工作中存在的不足，結(jié)合礦井的實際采掘計劃，調(diào)查分析工作面積水情況，提出合理的防治水技術(shù)，探測人員應(yīng)充分明確煤礦老空區(qū)的電磁場響應(yīng)特征，并針對具體的探測特點與探測需求，積極加強瞬變電磁法、激發(fā)極化法及可控源音頻大地電磁法在積水探測工作中的應(yīng)用，以有效提高煤礦老空區(qū)積水探測工作的質(zhì)量與效率，減少煤礦安全事故的發(fā)生。