同忻煤礦綜合探放水技術體系研究

張利兵

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037003）

水災事故是煤礦生產中常見災害事故之一。水災事故一旦發生，既可導致作業人員的傷亡，也可造成井下設備毀壞，嚴重影響煤礦的安全高效生產。如2010年3月28日，山西王家嶺透水事故造成38人遇難，直接經濟損失高達五千萬元。因此，礦井水災事故的防治工作，對于確保生產具有十分重要的意義。

大同地區煤層為侏羅系和石炭系雙系煤層，其中上部侏羅系大同組含煤多達15層，地質條件非常復雜，給物探工作帶來了極大的不利影響，要探測含水情況，確保探測精度，單一的物探手段無法滿足防治水工作要求，因此必須采用多種不同探測手段相結合、井上井下綜合探測的方法。在煤礦水害事故影響重大的大背景下，石炭紀放頂煤工作面老空水的有效探放，能夠很好地降低事故發生概率，提高安全效益。

本文以同忻煤礦為例，介紹多種不同探測方法，并通過分析資料和實際調查，建立地面與井下綜合探測以及立體防治體系，該體系的建立對于及時排除水患、優化排水系統，確保煤炭安全高效生產有著明顯作用。

1 礦井概述

同煤國電同忻煤礦有限公司是由大同煤礦集團有限責任公司（控股72%）和國電電力（控股28%）共同投資建設的千萬噸級特大型現代化礦井之一。同忻煤礦井田面積85.1242km2，設計生產能力1000萬t/a，礦井服務年限62.4a，可采儲量14.4億t，開拓方式為斜、立井混合式。同忻井田位于大同煤田北東部，井田內侏羅系經過60多年的開采已趨于枯竭。同忻煤礦是第一批批準延伸開采石炭二疊系煤層的礦井。主采煤層為石炭系3～5#層、8#層。其中，3～5#層為一水平，煤層平均厚度約13.67m，8#層為二水平，平均煤厚約3.42m。礦井地質條件比較簡單，水文地質條件中等，礦井正常絕對涌水量178m3/h，最大涌水量263m3/h。開采方法為綜合機械化放頂煤一次采全高開采，采場空間比較大，雙系煤層之間聯系復雜，采空區賦存水問題嚴重。從水害情況來看，上覆采空區積水面積達1146.729萬m2，積水量達932.7715萬m3。

根據分析及現場勘查，存在的主要探測問題有以下三點：（1）侏羅系煤層采空區較多，關系錯綜復雜，給探測工作帶來非常大的困難；（2）鉆探施工要穿過采空區進行，難度較大；（3）上覆侏羅系煤層多采用刀柱開采，采空區積水賦存十分復雜。為解決這些困難，提高探測精度和技術水平，決定采用多手段立體探放技術。

2 采空區積水災害探測關鍵技術分析

2.1 地面復合源瞬變電磁勘探技術

傳統的通過地面探測采空區積水的方法是大回線磁性源瞬變電磁法，其發射回線一般為單匝大矩形回線，遇到異常體時，電流瞬間被關斷，隨即被激勵其感應渦流場維持電流斷開前的磁場，經過一系列轉化后，信號接收器接收到感應電動勢，從而判斷工作面前方的水文地質情況，該方法能夠較好地對充水采空區進行探測，但是對于多層采空區垂直分布的探測效果一般。因此，可以在傳統方法的基礎上，增加電性源激勵技術，該技術原理與大回線磁性源瞬變電磁法類似，但是可以進行垂直方向探測。這樣通過兩種不同的技術的配合和互補，提高多層采空區探測精度和分辨能力。地面復合源瞬變電磁勘探技術說明示意圖如圖1所示。

圖1 地面復合源瞬變電磁技術說明

2.2 地面--井下巷道瞬變電磁探測技術

采用地面—井下巷道瞬變電磁探測技術可以使探測精度得到大幅度提高。該技術為在地面鋪設發射回線建立人工場，利用大線圈強電流提高探測精度，然后在井下回采巷道內布置接收點，降低信號干擾。

2.3 穿越采空區風動潛孔錘鉆進技術

探放水鉆孔特別是大孔徑抽水鉆孔經常要穿過采空區，使用傳統鉆進技術常發生卡鉆、埋鉆等現象。而風動潛孔錘鉆進技術的工作原理是利用壓縮空氣帶動孔內沖擊器，通過沖擊——回轉產生的動力將巖石擊碎，并通過套管和高壓氣流帶走巖粉，能夠有效避免卡鉆、埋鉆情況的發生。其結構示意圖如圖2所示。

圖2 風動潛孔錘鉆進技術示意圖

3 采空區水害防治體系研究

針對前文介紹的同忻煤礦雙系煤層防治水存在的難題，通過對關鍵技術進行分析，決定采用多種手段，建立上下立體交叉礦井水害防治體系。下面對該體系進行具體情況說明，體系示意圖如圖3所示。

圖3 同忻煤礦上下立體交叉礦井水害防治體系示意圖

3.1 體系組成說明

（1）地面鉆孔貫通采空區直排水

如圖3所示，首先根據地面物探的結果和相關采掘情況等資料，進行地面探放水孔的施工工作。鉆孔開孔孔徑Φ133mm，終孔孔徑Φ94mm，下入Φ89mm套管，在套管口焊接法蘭盤，并與Φ219mm放水管路連接疏放采空區積水。同忻煤礦于2011年11月至2014年5月，共施工了9個地面放水孔，累計排放采空區積水404.5萬m3。

（2）井下深孔探放

采用CMS1-6000/55煤礦深孔鉆車，探測上覆侏羅系大同組14#、12#、11#煤層房柱工作面采空區和廢棄大巷，孔深240m，開孔孔徑Φ143mm，套管Φ108mm，終孔孔徑Φ80mm，孔壁進行注漿封堵，孔口安設防水閘閥。同忻礦共施工46個井下探放水孔，累計疏放采空區積水5萬m3。

（3）地面大孔徑抽水井抽放

為了減少礦井主排水系統承受的負擔，利用地面大孔徑抽水井抽放上覆侏羅系采空區水。同忻煤礦共施工3個地面抽水孔，其中1個孔徑Φ550mm，2個孔徑Φ350mm，抽放采空區積水6.1萬m3。

（4）聯合排水

由于開采過程中，礦井距離較近，可以從兩個礦井之間的聯系入手，避免水害事故發生。同忻礦在進行相鄰區域水害治理中，利用同煤集團同家梁礦現有的排水系統，在其五號暗斜井安裝三臺功率55kW水泵，通過設置臨時水倉處理積水，累計排放采空區積水290萬m3。

3.2 應用效果

（1）采用地面綜合物探與井下物探相結合的綜合探查技術，能夠準確地探查采空區積水，精細化判斷可能存在的異常范圍，為防治水工作提供更加準確，也更加可靠的技術支撐，既降低了成本，又確保了煤礦安全生產。

（2）新的綜合防治水體系，優化和升級了石炭系放頂煤工作面單一、簡單的水患探測和防治技術，防治水工作取得了顯著成效。該技術可以為類似工作面的防治水提供技術支撐，為防治水和煤炭安全開采提供保障。

（3）該礦利用綜合排放水體系，累計疏放采空區積水720.2萬m3。有效遏制了透水事故的發生。實踐證明，排放水效果較好。

4 總結

同忻煤礦開采雙系煤層，采空區含水情況比較復雜，為了解決現場面臨的困難，對關鍵探測技術進行了分析和優化，同時建立了上下立體交叉的防治水體系。防治水體系通過地面鉆孔貫通采空區直排水、井下深孔探放、地面大孔徑抽水井抽放以及侏羅系老礦井分流等綜合手段，有效解決了排水問題，并降低施工工程量，提高探放水作業效率。