超前預防回采工作面突水技術開發與應用

王國旺

（開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司，河北 唐山 063108）

1 概 況

范各莊礦始建于1958 年，1964 年10 月正式建成投產，井田位于河北省唐山市古冶區境內，水文地質條件為復雜型，礦井主要受陷落柱導通奧灰強含水層水害威脅。礦井北翼及井口區域多有巖溶陷落柱發育，已發現的巖溶陷落柱達14 個。范各莊歷史上因陷落柱導通奧灰水造成的重大水害事故有2 次。隨著礦井生產向大采深、條件復雜區域延伸，工作面安全回采受到極大威脅。針對奧灰水害的防治，需要加強水文地質補充勘探，綜合利用超前物探、鉆探、化探方法，結合開采過程中的中間指示層監測和奧灰快速識別等措施，實時監測采動過程中水量、水壓、水溫、水質等參數的變化，對可能發生突水的危險區提前進行預報，及時采取安全技術措施。

2120（4） 工作面位于范各莊礦北翼區域，該區由塔坨向斜、井口向斜和北二背斜組成，井口向斜軸部附近陷落柱發育，往往溝通各含水層而導致井下發生突水。2120（4） 工作面東部為12 號陷落柱及北二條帶區，東北部為2298 高水位異常區，東南部為208 高水位異常區，水文地質條件復雜。工作面走向長度476.0 m，傾斜長度185 m，工作面標高-434.15—-474.2 m，煤層厚度1.70～3.50 m，平均煤層厚度2.32 m，煤層傾角1°～6°，平均傾角4°。主要充水含水層為12 煤層底板砂巖裂隙承壓含水層。為保證安全回采，工作面采取了綜合超前預防突水技術措施，引進安裝了微震監測系統，監測工作面回采過程中定位裂隙時空位置，通過分析數據確定采空區側底板在應力作用下裂隙發育深度，確保無奧灰水突水危險。

2 超前預防工作面突水技術

2.1 建立微震監測系統

2.1.1 基本原理

微震監測系統（圖1） 是通過感知導水通道形成過程中的巖石破裂，精細定位處理解釋以對導水通道形成過程進行監測。該技術具有實時、連續、全空間動態監測、主動擾動探測特點。通過注漿、放水等人工擾動，在含水層原有裂隙內產生劈裂、破巖、真空吸蝕、巖溶崩塌等，誘發一系列微震事件發生，監測、分析這些微震事件的時空變化規律，可以確定注漿漿液擴散范圍、路徑及含水層儲水結構形態、集中導水通道、突水口位置、工作面周邊構造活化監測等，為預防煤礦突水事故及突水的快速治理、注漿工程效果評價、水資源保護提供技術依據。

2.1.2 微震動態監測系統布置

本次微震監測項目共計布置單軸檢波器12 個，校正炮6 個，分站2 個。檢波器采用包圍式方式布置，檢波器均埋置在鉆孔中，檢波器間距100～130 m。2120 回風巷1～5 號檢波器及工作面風道6號檢波器接1 號采集分站，進行永久監測；工作面風運道7～12 號檢波器接2 號采集分站。2120（4）工作面微震監測孔分布如圖1 所示。

圖1 2120（4） 工作面微震監測孔分布Fig.1 Distribution of micro-seismic monitoring holes in 2120(4)working face

2.1.3 回采過程中微震動態監測系統觀測要求和觀測結果

微震系統觀測要求由河北煤科院向范各莊礦發送微震監測日報、月報，遇異常情況發臨時預報，并由河北煤科院根據當前微震監測結果，給出采面回采建議，指導日常生產。

根據微震系統每日觀測結果分析，微震事件集中在12 煤頂板以及12 煤和14 煤之間，少量分布在14 煤和K3 之間，微量分布在K3 和奧灰頂之間，并在8 月5 日監測到唐山古冶區地震事件，未監測到奧灰以下微震事件，說明2120（4） 工作面回采未造成12 號陷落柱活化，未發現異常區域，保障了工作面安全回采。

2.2 施工底板長期觀測孔

2.2.1 鉆孔層位選擇

為了了解奧灰水和煤系地層的補給關系，防治奧灰水直接突入礦井，必須探查了解奧灰含水層情況。但地面打孔深度大、費用高，施工難度大；井下施工奧灰孔，遇上高壓奧灰水有淹井的風險。

通過綜合分析發現，奧灰水對上部的煤系地層中的主要含水層（12 煤底板含水層和k3 含水層）在水位、水溫、水電阻率、水同位素等方面均有顯著影響，所以可以利用這些含水層作為中間指示層，為探測和確定導水構造位置和導水性提供依據。因此，經過分析研究，將12-14 煤含水層及14 煤-K3 灰巖含水層作為指示層，鉆孔打至指示層內即可間接判斷工作面底板范圍內隱伏導水構造發育情況。

2.2.2 施工鉆孔

2120（4） 工作面共施工2 個底板 K3 含水層長期水文觀測孔，其中探1 孔終孔水量0.2 m3/min，壓力3.36 MPa，水質化驗結果無硝酸根，屬于K3含水層水，探2 孔終孔無水，見表1。

表1 實際鉆孔技術參數Table 1 Actual drilling technical parameters

2.2.3 回采過程中觀測要求及觀測結果

二水平大巷探1 孔作為唯一保留的K3 含水層底板探查鉆孔，回采過程中其水質、水溫、水量、水壓的變化情況，能夠直觀且準確的反應回采過程中該區域水文地質條件的變化情況，對底板水害起到提前預警的作用。在回采過程中，打開該孔疏降2120 （4） 工作面 （圖 2） 區域 K3 含水層水位，每周對該孔的水質、水溫、水量、水壓觀測一次。水壓觀測以鉆孔瓦路關閉20 min 后觀測的水壓作為標準比對水壓，方便分析水位變化趨勢。

圖2 2120（4） 工作面觀測K3 含水層鉆孔平面圖Fig.2 Borehole plan for K3 aquifer observation in 2120(4)working face

回采前打開鉆孔，水量0.18 m3/min，壓力3.03 MPa，水溫19℃，水質化驗無硝酸根。通過每周觀測結果對比，回采過程中水量、水壓、水溫和水質與采前觀測結果一致，說明回采過程中底板裂隙未導通奧灰含水層。

2.3 利用礦井水文自動監測系統

2.3.1 基本原理

礦井水文自動監測系統是利用傳感器技術、光纖傳輸技術，采集地下水的水溫、水文、水壓、明渠流量等信息，利用無線傳輸技術采集水文觀測孔的水溫、水位、水壓信息，并將采集到的數據傳輸到地面計算機，進行處理分析，為煤礦安全生產提供預警機制。該系統集水文數據采集、數據處理、數據網絡共享、水害預警、輔助決策于一體，采用現代化監測手段對地下水的各種參數進行監測，及時掌握水文動態，達到對水害事故早發現、早預報、早防治的目的。

2.3.2 礦井水文觀測孔自動監測系統布置情況

地面觀測鉆孔7 個，分別是O14 孔、O3 孔、O6 孔、J17 孔、沖14 孔、沖17 孔、彭17 孔。其中，奧灰監測孔4 個，分別是O14 孔、O3 孔、O6孔、彭17 孔，均處于完好狀態；沖積層監測孔2個，分別為沖14 孔、沖17 孔，均處于完好狀態；12 煤底板含水層監測孔1 個，為J17 孔。

井下觀測鉆孔7 個，分別是2-17 孔、K下3孔、304-2 孔、J下7 孔、K下32 孔、探 8 孔、K下33 孔。其中，12 煤底板監測孔4 個，分別為2-17 孔、304-2 孔、J下7 孔、探 8 孔；唐山灰巖監測孔 3 個，分別為 K下3 孔、K下32、K下33 孔。

2.3.3 回采過程中觀測要求及觀測結果

2120（4） 工作面區域主要水文觀測孔為地面奧灰水位觀測孔O14 孔，井下觀測K3 含水層水壓2-17 孔和K下3 孔。回采期間要求每日進行觀測，對比數據，發現異常變化及時匯報。

觀測結果為地面014 孔水位在±2m 范圍內升降，屬于正常范圍，井下2-17 孔壓力為2.28 MPa，K下3 孔壓力為2.91 MPa，采前、采中、采后壓力保持不變。說明2120（4） 工作面回采過程中未有異常情況發生。

2.4 其他監測技術方法及要求

2120（4） 工作面區域有涌水點存在，2120（3） 采空區涌水量能夠直觀反應2120（4） 工作面回采對該區域水文地質條件的影響，起到預警作用。208 皮帶巷作為距離12 號陷落柱最近的巷道，其涌水變化情況能夠反映采動對12 號陷落柱的影響，同樣起到提前預警作用。2120（4） 工作面采中涌水變化情況能夠直觀反映該區域水文地質條件變化情況。因此要求井下各巡查地點每周至少調查一次，觀測涌水點水量、水溫、水質變化情況，對比數據。

通過日常巡查，對比采前、采中、采后數據，2120（3） 觀測點水文情況無變化，水量0.03 m3/min，水溫21℃，水質化驗無硝酸根；208 皮帶巷出水點水文情況無變化，水量0.02 m3/min，水溫20℃，水質化驗無硝酸根；2120（4） 工作面回采過程中采空區側出水，水量0.03 m3/min，水溫19℃，水質化驗無硝酸根，之后觀測數據無變化，屬于12 煤底板含水層水質。說明2120（4）工作面回采未造成該區域水文地質條件變化，未造成突水。

3 結 語

通過引進微震監測系統、施工工作面底板K3含水層“指示層”觀測孔、利用現有礦井水文自動監測系統、觀測工作面區域涌水點水文變化情況等超前預防回采工作面突水技術，保證了范各莊礦2120（4） 工作面安全回采，解放了地質儲量，未監測到12 號陷落柱活化，工作面回采未造成裂隙導通隱伏導水構造，為以后同類工作面安全回采提供了經驗和指導。