忻州窯礦井下綜合防水技術方案的應用研究

蘇 亮

（同煤集團地質勘測處防治水科，山西 大同 037001）

忻州窯礦位于山西省大同市西南方向，現開采11#～14#煤層，開采方式為一次采全高低位放頂煤開采。1041 底抽巷設計長度853 m，巷道布置在6#煤層中，采用綜掘機掘進，支護方式為11#工字鋼配合錨網錨索支護，巷道斷面11.2 m2。2019 年4 月5 日1041 底抽巷掘進至275 m 處時，迎頭頂板及左手幫鉆場底板涌水明顯增大，涌水點水量9.5 m3/h，出水持續周期16 d。巷道向前掘進453 m 時巷道迎頭頂板及煤壁出現不同程度淋水，初期涌水量為23 m3/h，隨著綜采作業的進行出水量減小為15 m3/h。1042 底抽巷施工順煤層探水鉆孔過程中，發生孔內涌水，隨著孔內水量增大，超出巷道排水能力，發生巷道被淹事故，涌水量為80～130 m3/h，三日后穩定涌水量115 m3/h。目前采區5 號煤主要充水水源為頂板砂巖裂隙水和奧陶系巖溶裂隙水，1041 底抽巷三次發生涌水，充水水源除了頂板水外，不排除奧灰水通過節理、裂隙發育帶、導水斷層、陷落柱等溝通煤層及底板隔水層，如不提前采取防治措施，在回采后對底板產生大規模破壞的情況下，奧灰水可能通過裂隙帶進入工作面形成水害。

目前忻州窯礦井下對可疑儲水區域的勘探主要采用了根據地質情況和作業人員經驗進行鉆進探測的方案，整體探測效率較低，而且其排水時采用了搖臂鉆機人工鉆進方案，雖然體積小，應用靈活，但鉆進效率低、成型質量差，難以滿足快速探放水的需求。針對以上情況提出了采用瞬變電磁法進行井下積水探測，利用超前鉆孔放水進行排水的方案。根據在1041 底抽巷的實際應用表明，采用新的綜合防治水技術后，井下探放水效率提升了47%以上，有效提升了井下掘進效率和安全性。

1 瞬變電磁法探放水

瞬變電磁法[1]是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法。由于水和巖層的電阻率存在著較大的差異性，因此通過該方案能夠快速定位巖層深處的積水區域。瞬變電磁探放水原理如圖1 所示[2]。

圖1 瞬變電磁測量原理

在井下探測時采用了YCS-800 礦用瞬變電磁儀進行探測。根據井下實際情況選擇在巷道內鋪設區域為100 m×70 mm 的回字形矩形探測線框（區域受限時可以適當降低探測線框長度），對巷道內的積水區域進行探測，共計設置50 個探測點。探測結果如圖2 所示，圖中橫坐標表示探測點，縱坐標表示電阻值。

根據實際探測結果可知，在巖層深處有電阻低于300 Ω 的區域分布，由于巖層和煤層的電阻一般會在600 Ω 以上，電阻異常區域推測為積水區域。該電磁探測的方案只需2 人配合，1 d 時間即完成了對井下巷道區域積水情況的探測，而采用傳統探測方案時需要8 人配合，至少3 d 才能完成井下積水區域的探測。因此可知，瞬變電磁法比傳統技術方案探測效率提升12 倍，且探測全面，探測精度高。

圖2 瞬變電磁法測量結果

2 超前探放水方案

根據煤礦井下積水區域探測結果，為了提升鉆進效率和探放水效果，提出了一種新的超前探放水技術方案。由于煤礦井下地質條件相對較為松軟，為了避免在自動鉆進過程中出現失穩導致鉆進傾斜、鉆頭折斷等異常，需要在布設鉆機的地方進行鉆場地基加固。

鉆機的固定采用了地錨固定方案。首先根據鉆機底座結構開挖地基，開挖后用高強度混凝土進行鉆機底座的澆筑，基礎厚度不少于1.5 m，根據鉆機規格要求，其長度不低于2.5 m，寬度不低于1.2 m。在地基的基礎前端預留0.5 m 的鉆具拆卸槽，便于快速的調整和更換。一個基礎地基需要滿足在鉆進區域內多個鉆孔的鉆進需求。由于井下底板奧灰含水層富水性強，在鉆進的過程中有可能會產生突水事故，因此在鉆場附近必須增加排水溝及備用的大功率排水泵，確保鉆進過程中的安全性。超前探放水鉆場布置結構如圖3 所示[3]。

圖3 井下超前探放水鉆場布置

采用自動超前探放水自動鉆進技術方案后，鉆進效率比采用人工鉆進提升了47%以上，鉆進過程中的防突水性得到了極大的提升，未出現過程鉆進時的突水事故，極大地提升了鉆進的效率和安全性。

3 井下鉆井結構及工藝

由于奧灰含水層的特殊結構，在鉆進過程中具有較強的導水性，因此為了確保鉆進過程中的安全性，在鉆孔四周必須設置鉆孔防護管，并采用階梯型的鉆孔結構。根據忻州窯礦1041 底抽巷的實際情況，所選擇的鉆孔的孔徑為168 mm，在鉆進時提前設置了5 m 長、直徑為146 mm 的防護管，待鉆進完成固管掃孔后再更換直徑為133 mm 的鉆機繼續鉆進到15 m 的深度，然后再加入直徑108 mm的孔口管，最后再更換鉆孔直徑為89 mm 的鉆頭，一直鉆進到底。階梯型鉆孔結構如圖4 所示。

圖4 井下鉆孔結構示意圖

在鉆進過程中首先需要根據設計的孔位進行鉆進，在探放水鉆進時，發現煤巖松軟、片幫、來壓或者鉆眼中水壓、水量突然增大和頂鉆等透水征兆時，應當立即停止鉆進[4]，但不得拔出鉆桿；應當立即向礦井調度室匯報，派人監測水情。發現情況危急，應當立即撤出所有受水威脅區域的人員到安全地點，然后采取安全措施，進行處理。同時探水工作面要經常檢查瓦斯及其他有害氣體，當瓦斯含量達1%時，必須停止鉆進，達到1.5%時，必須停止工作，使其降至1%以下，方可開動機器繼續執行鉆進作業。

4 井下綜合防水技術方案應用效果

忻州窯礦1041 綜采面應用新的綜合防水技術方案后，對含水區域的檢出率達到了100%，探測效率比傳統技術方案提升12 倍，采用機械化自動鉆孔技術方案，鉆進效率比采用人工鉆進提升了47%以上，鉆進過程中的防突水性得到了極大的提升，顯著提升了井下的綜采作業效率和安全性。

5 結 論

針對忻州窯礦井下1041 綜采面巷道掘進過程中存在的探放水效率低下、堵水效果不佳，提出了采用瞬變電磁法進行井下積水探測，利用超前鉆孔放水進行排水的方案，根據實際應用表明：

（1）瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，通過測定不同區域的電阻來判斷積水區域的方法，探測效率比傳統鉆孔探測方案提升12 倍，而且探測全面，探測精度高。

（2）超前探放水自動鉆進技術方案，鉆進效率比采用人工鉆進提升了47%以上，鉆進過程中的防突水性得到了極大的提升，未出現過鉆進時的突水事故，極大地提升了鉆進的效率和安全性。