綜采工作面上覆老空水綜合探放技術

武章軍

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

煤層群開采工作面普遍存在頂板老空水危害，下層煤在開采過程中產生的導水裂隙帶可能溝通上覆老空水，造成礦井涌水量增加，影響礦井正常生產，甚至出現大型導水通道使其短時間內涌入采掘空間發生突水事故，造成重大人員傷亡和財產損失[1-2]。 因此，在下層煤回采前必須對上覆老空水進行疏放。 對上覆老空水的處理最重要的就是摸清其積水范圍、積水量，并合理設計探放水方案[3-5]。本文以常村煤礦15011工作面為例， 對頂板上覆老空水進行綜合物探探查，根據分析成果，設計探放水方案和排水系統，排除老空水的危害。

1 工程概況

1.1 礦井概況

常村煤礦核定生產能力0.90 Mt/a，是資源整合技改礦井。 首采區位于礦井的中南部位置，主采15號煤層，煤層賦存較穩定，平均煤厚2.41 m。該礦資源整合前為小煤窯開采， 主采3號煤層和9號煤層，由于資料缺失，開采范圍、面積和采高不明。 15011工作面是礦井15號煤層首采面，其上部3號和9號煤層已回采，據分析存在大量老空水，是15011工作面回采的主要威脅。 若不對其疏放或疏放不徹底，可能會對礦井產生重大危害。 所以，在15011工作面開采前，必須對上覆老空水進行有效探放，解除老空水威脅，確保工作面安全回采。

1.2 工作面概況

15011工作面布置在礦井一采區的北部， 為走向長壁回采工作面，綜采一次采全高，全部垮落式管理頂板，巷道為錨網索聯合支護，沿底板掘進，工作面運輸巷長度643 m，回風巷長度611 m，工作面開切眼長130 m。煤層底板標高+648～+669 m，上下巷存在一定起伏，高差為21 m。工作面單斜構造，傾向東南。 15011工作面主采15號煤層，煤層厚度平均為2.3 m，可采儲量0.201 Mt。

1.3 水文地質條件

該礦水文地質條件中等，井田地表沒有常年性河流及較大地表水體，地表為丘陵，難以積水。 含水層自上而下分別是：第四系松散孔隙含水層、二疊系含水層、K2灰巖含水層。 這些含水層富水不均、富水性較差，且各含水層內部存在隔水層，水力聯系低，對礦井回采影響不大。 該礦奧陶系巖溶裂隙承壓含水層的靜水位標高約+550～+560 m，而15號煤層的最低底板標高為+620 m，因此奧灰水對礦井安全生產沒有威脅。 該礦15號煤層的主要水害威脅為上覆3號煤層和9號煤層采空區的積水。

2 頂板老空水綜合防治方案

通過對15011工作面水文地質條件和生產條件的分析，要以防治水十六字方針為指導，采用物探和鉆探相結合的方法對老空水進行治理。 首先開展野外地面調查， 對15011工作面對應的地表進行排查；利用地面瞬變電磁勘探手段，針對采空區進行探測，圈出富水區域；待15011工作面系統貫通，在工作面內利用西安博深YTD400（A）型礦井全方位探測儀（俗稱探水儀）再次對頂板老空水分布情況進行探查；對兩種物探結果進行綜合分析，設計老空水探放方案，并優化排水系統，解除老空水威脅。

3 老空水綜合探查技術

3.1 地面瞬變電磁勘探成果

3號煤層和9號煤層的老空區積水是15011工作面面臨的主要水害。 為了查明3號煤層和9號煤層采空區的積水情況， 在對應地表開展了瞬變電磁勘探，勘探結果見圖1、圖2。

圖1 15011工作面對應3號煤層區域探測成果

圖2 15011工作面對應9號煤層區域探測成果

通過地面瞬變電磁勘探，在3號煤層和9號煤層采空區分別探測富水區2個和1個。

3.2 礦井全方位探測儀探測成果

本次采用的礦井全方位探測儀以低阻含水地質體為探測對象，在巷道中插入電極，人為建立全空間電場，探測圍巖中的相對低阻體，并在全空間電場理論基礎上進行處理與解譯，判定巷道圍巖電場差異與水文地質和構造的關系。 本次9號煤層采空區共探到4個富水區，探查結果見圖3。

圖3 9號煤層富水異常區探查成果

3.3 綜合物探成果分析

圖4 15011工作面物探綜合成果

根據地面瞬變電磁勘探和礦井全方位探測儀成果，繪制15011工作面物探綜合成果，見圖4。

4 探放水工程及排水系統設計

4.1 探放水工程

在15011工作面上下巷分別設計探放水鉆孔，對上覆老空積水進行提前疏放，以減少3號煤層和9號煤層的老空水對工作面正常回采的影響。

通過對水文地質資料及綜合物探成果的分析，在上下巷每100 m內的標高最低點及物探富水異常區內的最低點施工探放水鉆場。 在15011工作面上下巷及切眼共設計14個探放水鉆場， 其中15011工作面上巷布置7個探放水鉆場，在工作面下巷布置6個探放水鉆場，在切眼布置1個探放水鉆場，共設計鉆孔42個，所有探放水鉆孔均呈扇形展開，鉆孔深度110 m，設計圖見圖5。

圖5 15011工作面探放水設計

4.2 排水系統設計

在工作面上下巷內鋪設直徑110 mm排水管路2趟， 在巷道低洼處和和探放水鉆場處施工泵坑，安裝15 kW排水泵2臺，一備一用，排水泵與其中1趟管路進行連接，將上下巷積水集中排放至中央泵房水倉內。 首先在設計位置挖設泵坑，泵坑長、寬、深分別為2 m、2 m、1.5 m。 探放水鉆孔施工前要安裝孔口管及孔口閥門。 鉆孔施工過程中，若出水，利用三通、閘閥和彎頭與另一趟排水管路相連，將水排放至5號泵坑，再由5號泵坑排至中央泵房的水倉內。

4.3 探放水效果分析

本次在15011工作面共施工42個探放水鉆孔，鉆孔的初始涌水量約670 m3/h，老空區積水排放后，涌水量為57 m3/h，截止目前已經累計疏放老空水超過12萬m3， 有效地解除了工作面老空水的威脅，確保了工作面安全回采。

5 結語

1）通過地面瞬變電磁和井下全方位探測儀對3號煤層和9號煤層老空區積水，進行聯合勘探，提高了探查精度，探水準確率在80%以上。綜合物探技術提高了探放水有效性，具有較高的經濟效益。

2）通過對排水系統的合理設計，確保了探放水期間的排水效率， 并適用于生產期間的排水工作，有效保證了工作面排水能力。

3）本次對上覆老空水進行的綜合物探探查、探放水工程和排水系統設計，確保了工作面的防治水安全，可在礦井其他工作面推廣應用。