煤礦采空積水綜合防治技術研究

張中華

煤礦采空積水綜合防治技術研究

張中華

針對我國煤炭生產中防治水存在的問題，探索直通式探放水研究理論并實施，就大同煤田地質水文條件來講，該法推廣具有廣泛的實用性。

煤礦開采；采空區積水；直通式探放水

0 概況

大同煤田由于其開采歷史久遠，在煤田范圍內存在著大量的古窯、小煤礦。這些小窯大都分布在侏羅系2、5、7、8、11、14號煤層。大同煤田侏羅系煤層埋藏較淺，且各煤層采空區之間縱橫交錯，非常復雜。在采空區的低洼處易集積一些積水，積水量大小不一，少的有幾千m3，多的可達到數萬、數十萬m3。再加上大同礦區煤層頂板堅硬、性脆，易形成大面積的塌頂，因頂板冒落而形成采后裂隙，此時又擴大了原有的采動裂隙，并形成直達地面的裂縫和塌陷。充水水源通過裂隙、裂縫等通道進入礦井和煤層采空區，形成礦井采空區積水。由于采空區積水的存在，給煤礦的安全生產帶來巨大的潛在威脅，如果對積水區的水量、區域等資料調查不清，不能采取有效的預防手段，將會造成嚴重的水患事故發生。

近年來，隨著大同煤田范圍內小煤礦的關閉，在生產礦井范圍內了出現了由于廢棄礦井而產生的新的積水源及導水通道。對廢棄礦井在關閉過程中缺乏切實可行的水害監測及防范措施，對可能誘發的礦井水文地質條件的變化缺少理論研究與分析，對廢棄礦井相關工程和技術資料不能進行有效的系統整理與管理，不能注重廢棄礦井突水條件的研究及防范技術措施準備工作，極可能引發災難性的突水事故。同時，大同煤田部分礦井因侏羅系資源枯竭而向石炭系延伸，在采掘過程中，由于煤層間距過大，無法從石炭系煤層向侏羅系采空區實施井下探放水，上覆采空積水探測、施放成為急需解決的難題。本文研究的意義即著力解決上述問題，并以大同煤礦集團白洞礦為例，對本文形成的采空區積水探放技術理論在生產實踐中予以優化、改進。

1 老空積水區的確定方法

1.1 資料調查分析法

在分析、預測采掘工作面可能遇到的采空積水問題時，要結合上部煤層開采的實際水文地質資料，分析研究工作面水文地質情況，從而更準確地了解現采掘區域的情況，當發現有突水隱患時，有針對性地提出預測及防治方法。在采掘上下2個煤層時，詳細記錄上層煤開采工作面的水文地質情況并填繪到礦井充水性圖上，這樣，在采掘下部煤層時能夠參照并分析水文地質特征，根據分析所得到的結果及時地預測、預報，采取井下或者地面探放方法消除積水隱患。在實踐中，煤層采空區的低洼處易形成老空區積水，可利用煤層底板等高線圖，探放上層煤的積水區，消除開采下層煤時的突水隱患。

1.2 物探法

利用現有的物探手段，主要有瞬變電磁法（TEM）、直流激電測深、高密度電法勘探等，針對物探異常區初步預測積水區位置、邊界、積水量。對老空水探測，還有地質雷達、三維地震、電阻率法等探測方法。

①上部采空區有積水的情況下，利用地質雷達方法探測出下部采空區采動裂隙帶的范圍，從而設計出合理的保護煤柱寬度，預防下部工作面突水的發生。

②利用三維地震方法解釋老窯采空區，一方面是從己知資料出發，在反射波對比的基礎上，選擇顯著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相軸的消失、扭曲、突變等異常現象，最后圈定出老窯采空區。

③為了探查出礦區地下水地質體的分布及其導含水條件，可以采用地磁探測技術觀察地下地質體中的電性分布規律。陽泉礦區采用頻率測深 (CSMT)技術和瞬變電磁場 (TEM)勘探技術對采空區的積水邊界進行了探測；神華集團活雞兔礦利用自動電阻率法成功探測出12205工作面采空區潰沙潰水通道；河北金牛能源公司東龐礦采用直流電探測技術探測某個工作面積水小煤窯采空區。

三維地震和瞬變電磁場能夠確定采空區的積水邊界。另外，煤層及采空區等地質條件探測一般應用三維地震探測技術，而采空區和煤層上下地層積水范圍的探測應用電磁探測技術。

1.3 鉆探法

鉆探技術，作為最基礎的采空積水區探查手段，曾經受到了極大地限制，但最近十幾年來，國內外鉆探技術有了很大的發展，發展出適用于各種工作場合的鉆機。因此，應用鉆探技術，不管在地面用鉆機還是井下坑道鉆機，均可實現“隨鉆測斜，自動糾偏”。近年來水平鉆機的出現，又填補了鉆探方面的一個缺陷，增加了探放水的手段，鉆探技術已經滿足對老空積水區探查的要求。

1.4 化探法

地球化學勘探的方法是通過系統測量天然物質的地球化學性質，發現各種類型的地球化學異常的一種調查方法。現有的各種地球化學勘查方法主要是根據采樣對象來劃分的。如巖石地球化學測量、土壤地球化學測量、水地球化學測量、水系沉積物地球化學測量、湖積物地球化學測量、氣體地球化學測量和生物地球化學勘查等。各種測量方法又因地質地理條件不同及選用的具體采樣物質不同而發展成若干方法的變種。

在煤礦采空區積水區探查中，主要是通過水質化驗、示蹤試驗等，利用不同積水區、不同時間、不同含水層的水質差異，確定突水水源，評價含水層水文地質條件，確定各含水層之間的水力聯系。主要的技術方法包括：水化學快速檢測技術；透水水源快速識別技術；連通試驗。

1.5 水文地質條件寫實分析法

井巷地質、水文地質條件分析主要是對井下已揭露的地質與水文地質現象進行觀察、測量、統計計算等分析研究，從而達到了解、掌握礦井水文地質條件的目的。常用的井巷地質、水文地質條件寫實分析技術方法有：井巷地質現象與水文地質現象描述；井巷地質現象與水文地質現象攝影；礦井地質構造與裂隙測量、地質統計與地質作圖。

用井巷地質、水文地質條件分析方法，往往可以直接確定老空積水的范圍，積水高度，然后計算積水量。比如同煤集團白洞煤業公司井田14號層東303、東402老空積水區有明確的出水點標高，又可以在采掘工程平面圖通過等高線劃定積水范圍，方法簡單、快速、準確。

2 老空積水排放技術

老空區積水（采空區、老窯和已經報廢的井巷積水）積存于生產、開拓水平以上，水量集中，一旦揭露，來勢兇猛，突然潰出，具有很大的沖擊力及破壞力，是煤礦主要水患之一。但是老空積水一旦查明以后，往往易于防治。對于生產礦井本身的老空區、舊巷道積水，應認真核實圖紙資料，查明積水區的水量、最低點、最高點，然后制定探放水措施或方案進行探放水。

2.1 掘進期間的排放

在巷道掘進時可以同時進行探放水，一種是探同層的老空區積水，一種是探上層的老空區積水。在老空積水區下部煤層掘進、回采前，須排放盡上層的積水。一般的做法是邊掘邊放，放一段掘一段。掘進期間制定探放水措施。根據過去的經驗，將調查和勘探（包括物探）獲得的小窯、老空的資料，經過分析確定“3條界線”，即積水線、探水線、警界（戒）線，然后進行探放水。

探放水的方法簡單易行，直接用專用探水鉆機向前（或上部）積水區打鉆孔。放水鉆孔的終孔直徑一般不超過73 mm。

在探放上層積水時，鉆孔的傾角一般在40°～70°之間，鉆孔的深度約在70 m以內。最近幾年，有礦井用TUX-150型鉆機打孔，深度（斜深） 可達到130 m。在鉆孔孔口處安裝孔口管，固定閥門，控制放水，水壓一般在0.5 MPa以下，既便于操作，又安全可靠。

掘進期間的探水鉆孔布置見圖1。

2.2 地面施工放水鉆孔

從地面布置鉆孔，穿過積水區與下部開采煤層的巷道貫通放水——直通式放水法。

原來一提到探放水，首先想到的就是在下部煤層的掘進巷道中向上部的積水區施工放水鉆孔，層間距一般不會超過50 m，斜向上打孔，孔深也就在70 m以內，鉆機用TUX-75或TUX-150就可以了。但有時無法用上述方法。比如：白洞石炭紀C5煤層與侏羅系的14號煤層間距在230 m～240 m，通過市場調研得知，目前還沒有能斜向上、垂直向上鉆進這么深的鉆機；二是即使能鉆進這么深，但是到鉆孔打通的時候，孔口水壓在2.3 MPa～2.5 MPa，人員無法在孔口處工作；三是C5煤層巷道沿底掘進，頂部全是煤，孔口管、防噴裝置固定難度大。

2.3地面打井抽水

當有以下情況時，可考慮在地面打井抽水：

①有的時候老空積水區周圍沒有巷道及其他空間，井下從本層無法放水。

②當積水區下方（或叫下部煤層中）沒有掘進巷道時，地面無法施工放水鉆孔到下部煤層的巷道，達不到放水的目的。

③當積水區下方（或叫下部煤層中）巷道掘出后或掘進期間，施工地面放水鉆孔，而時間趕不上時。也就是說，可以打放水鉆孔，但沒有放水時間，在工作面開采前放不完水的情況下。

同煤集團四臺溝礦曾經用抽水的方法排放古塘積水。這類鉆孔的孔徑比較大，約在0.40 m～0.50 m左右，潛水泵與排水管連接，從孔口一直下到積水區以下。

地面施工這種抽水鉆孔，鉆孔成本比較高，排水成本相對也高；同時還受多種因素限制，比如地面無法設排水溝，取電遠等問題。

3 綜合治理

本著經濟、高效、安全的原則，根據地面、井下全方位隱患排查結果，結合積水區的特征、地面地形、井下采掘系統的實際情況，認真分析資料，反復對比各種方案的利弊（包括工程量、工程時間、工程費用）制定科學合理的探放水方案。不要只限于一種方法，要結合實際，多種手段綜合利用。

4 結論

通過地面、井下物探、鉆探結合的手段查清水患，施工地面、井下鉆孔排放采空積水，在大同礦區取得了良好的經濟效益和社會效益，適合大同煤田礦井今后的防治水工作，具有推廣價值。

本文以大同白洞礦老空水為研究對象，重點研究老空水的防治技術，以及老空水排水方案的制訂。通過研究得出如下結論:

①對不同煤系中老空區積水探放進行了優化設計，完善和改進了采空區探放水方案、鉆探工藝、放水鉆孔結構、放水套管的結構等技術問題；

②直通式放水法在同煤集團白洞礦應用取得了一定的安全效果和經濟效益，對同煤集團的其他礦井（包括其他雙系煤田的礦井）今后在開采下部煤系時的探放水技術有了新的理論基礎和指導思想，具有很好的經濟效益和社會效益。

5 創新點

針對大同礦區采空積水特點，將數字化地質資料，綜合物探技術，地面、井下多方面的立體探放水技術綜合應用于探放水工作，有效地排查出采空積水的位置和深度，并對積水進行探放，保證了礦井安全生產，特別是直通式鉆孔近幾年在石炭系開采期間的探放水對安全生產起到了十分重要的作用。

煤礦安全工作中，每年都要投入大量的資金、人力、物力，防治水方面也是如此，但是仍然有透水事故發生。這里的原因很多，其中包括業務、技術方面的因素，探放水手段、施工場地等的因素。近幾年有些礦在防治工作中，因為無法施工探放水鉆孔，又認為積水量不大，就馬馬乎乎開采了，結果導致工作面發生透水，雖未發生死、傷人事故，但還是淹了工作面，影響了生產。

本次探索、研究侏羅系積水探放方案，對白洞煤業公司今后采礦具有重要的意義，特別是對今后同煤集團其他礦井在開采石炭系煤層時防治水、水患排查方面更具有指導意義，防止上層積水在采煤過程中造成的突水事故，杜絕水患，實現安全生產。

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Study on Integrated Control Technology of Coal Goaf Seeper

Zhang Zhonghua

according to the control of water problems in the domestic coal production,straight-through-water exploration is explored and used.This method is practical within the geological and hydrological conditions of Datong coalfield.

coal mining；goaf seeper；straight-through-water exploration

TD745

A

1000-4866（2012）02-0017-04

張忠華，男，1963年2月出生，1985年9月畢業于大同煤礦職工大學（地質專業），現在大同煤礦集團公司忻州窯礦工作，助理工程師。

2012－03－13

2012－03－27