特厚煤層區域開采防范洪水灌井老窯的探測方案研究

王長征

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦23109材料巷位于太原組13號煤層21采區北翼中東部，掘進方位0°0′0″，沿太原組13號煤層底板掘進，巷道掘進方向東側有馬圐圙煤礦（開采13號煤層，2007年7月22日淹井后關閉）、原斜溝煤礦舊礦（開采13號煤），受兩關閉煤礦影響段長1 042 m，設計巷道距根據物探異常劃定的積水線最近72 m，所在區域整體為一走向近南北，傾向西的單斜構造，煤層傾角平均9.6°，平均煤厚14.86 m。為提高煤炭資源采出率，避免馬圐圙煤礦和斜溝舊井西側13號煤層滯留于采空區封閉圈內造成資源損失，保證礦井采掘銜接順利進行和23109工作面設計方案提早確定，消除馬圐圙煤礦和斜溝舊井老空積水對23109材料巷掘進和后期23109工作面回采的影響，經過調查老空區采掘情況、洪水灌井的事故經過及形成機理、各類報告的敘述、氣象水文資料等，結合該區域以往勘查成果綜合分析推斷洪水灌井老窯的現積水情況，研究制定切實可行探測方案以保礦井安全生產不受水患影響，供大型煤礦在防范周邊洪水灌井老窯方面借鑒。

1 馬圐圙煤礦及斜溝舊礦概況

馬圐圙煤礦位于斜溝井田中東部與之相鄰，批準開采13號煤層，生產規模6萬t/a，井田面積0.559 4 km2。于2007年7月23日淹井后關閉，約有450萬m2地表洪水灌入鄰礦原馬圐圙煤礦，2013年4-5月，由山西山地物探技術有限公司對21采區東部馬圐圙一帶進行了瞬變電磁法和測氡法勘探，劃定了采空異常區域。斜溝舊礦位于井田東部，2003年3月協議轉讓給山西西山晉興能源有限責任公司，沿用原副平硐對8號煤層進行了開采，原13號煤層主斜井廢棄，根據興縣國土資源局曾提供的斜溝舊礦13號煤層采掘工程平面（比例尺1∶2000），由于圖面缺失內容較多，資料可信程度不高，嚴重影響礦井生產。23109材料巷位于兩關閉煤礦傾向下山西側，受兩老窯影響段長1 042 m，設計巷道距根據物探異常劃定的積水線最近72 m。其位置關系如圖1所示。

圖1 斜溝煤礦23109材料巷位置關系示意圖

2 探測方案

本次探測工作使用物探和鉆探兩種探測方法，鉆探使用兩種不同的鉆探設備及工藝。物探采用中煤科工集團重慶研究院YCS1024礦用本安型瞬變電磁儀及配套數據解釋處理軟件，鉆探使用中煤科工集團西安研究院生產的ZDY-1300礦用液壓鉆機和威利朗沃公司生產的ZYL-2300D型千米定向鉆機。總體采用安全范圍圈定，異常范圍探測驗證，隨著探測成果分析逐步補充的方法進行。

2.1 物探設計方案

23109材料巷掘進進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線起至掘進到位1 104 m（初步設計）段在掘進方向順煤層物探，物探前行于同步的鉆探；23109材料巷掘進進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線起132 m至掘進到位1 104 m（初步設計）段在掘進方向物探的同時在垂直于巷道的傾向上山順煤層進行物探（見表1）。

表1 物探工作量

2.2 ZYL-2300D型千米定向鉆機探測方案

23109材料巷掘進進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線起132 m、580 m處施工千米定向鉆機鉆場，使用ZYL-2300D型千米定向鉆機在23109工作面受馬圐圙煤礦及斜溝舊井老空水影響的防隔水煤柱寬度外側5 m煤層厚度范圍內布置縱向錯位鉆孔間距1.5 m的探測鉆孔3組9孔，如圖2所示，以保障設計的23109工作面回采范圍不受老空水害影響及現設計在水害防治安全角度的合理性；硐室內在巷道掘進方向煤層厚度范圍內布置縱向鉆孔間距5 m的探測鉆孔1組2孔，如圖3所示，以查明巷道掘進前方老空水害的大致情況供巷道設計、探測方案預先變更提供依據和補充后續ZDY-1300礦用液壓鉆機探測范圍的上覆煤層。

圖2 防隔水煤柱寬度外側5 m煤層厚度范圍內縱向錯位鉆孔間距1.5 m探測工程布置平面圖

圖3 巷道掘進方向煤層厚度范圍內布置縱向鉆孔間距5 m的探測鉆孔探測工程布置平面圖

2.3 ZDY-1300礦用液壓鉆機探測方案

馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線至探水線段（642 m）使用ZDY-1300礦用液壓鉆機布置8個探測鉆孔，煤層賦存方向布置5個孔，垂直方向的前進方向布置3個孔，3個垂直方向鉆孔探至煤層頂板，鉆探深度60~65 m，隨巷道向前掘進而進行，如圖4所示；23109材料巷進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的探水線內以內區域（462 m），使用ZDY-1300礦用液壓鉆機，按照探放老空水管理工作要求設計鉆孔，在終孔位置處橫向鉆孔間距3 m，縱向鉆孔間距1.5 m，鉆探深度60~65 m，共計17組51個鉆孔，如圖5所示；馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線往北140~280 m段每隔10 m施工一組方位90°排鉆，縱向間距3.7 m，3個孔，孔深100 m鉆孔，共計15組45個鉆孔，如圖6所示；在23109材料巷到位處迎頭上幫施工一組方位48°縱向呈扇形,縱向間距1.5 m，孔深100 m鉆孔，共計1組9個鉆孔，如圖7所示；鉆探工作量見下頁表2。

圖6 馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線往北140~280 m段探測工程布置平面圖

圖7 馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線往北140~280 m段探測工程布置平面圖

3 方案解析

洪水灌井的馬圐圙煤礦老空積水量大，疏放水所需時間過長而影響采掘銜接正常進行，且疏放出的老空水加速排水設備的腐蝕，排至地面的老空水給地面污水處理廠帶帶很大壓力，該探測方案本著盡量避免打通老空積水區的同時保證工作面的安全掘進與回采。根據預計馬圐圙煤礦和斜溝舊井老空積水最高標高+965 m，將積水線視作水淹區域的界線，按《煤礦防治水細則》水淹區域下采掘時防隔水煤（巖）柱的留設參照經驗計算公式：

式中：L為煤柱留設的寬度，m；K為安全系數（一般取2～5）；M為煤層厚度或者采高，m；P為實際水頭值，MPa；Kp為煤的抗張強度，MPa。

令K=5，M=14.86，P=0.85，Kp=0.8，計算得：L=66.3 m。

表2 鉆探工作量

使用ZYL-2300D型千米定向鉆機在23109工作面受馬圐圙煤礦及斜溝舊井老空水影響的防隔水煤柱寬度外側5 m煤層厚度范圍內布置縱向錯位鉆孔間距1.5 m的探測鉆孔3組9孔，這種布置方案實現了遠距離近間距鉆孔在確保勘查精度的同時不會造成穿孔而報廢的現象，預先查明防隔水煤柱寬度邊界的老空及老空水賦存情況，為后期工作面回采的影響范圍均已探查清楚；在巷道掘進方向煤層厚度范圍內布置縱向鉆孔間距5 m的探測鉆孔1組2孔，該探測鉆孔的施工實現了以最少的探測工程量及早初步查清了巷道掘進前方巷道上覆煤層中的老空破壞及積水情況，遠距離探測既安全又能及早采取防范措施；馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線往北140~280 m段每隔10 m施工一組方位90°排鉆，,縱向間距3.7 m，3個孔，孔深100 m鉆孔，共計15組45個鉆孔，以補充查明ZYL-2300D型千米定向鉆機探測工程的盲區進一步做好水害防范工作。在千米定向鉆機探測成果的基礎上研究決定巷道是否變更設計及制定補充探測方案，探測結果無異常，使用YCS1024礦用本安型瞬變電磁儀在巷道掘進方向和垂直于巷道的傾向上山順煤層方向100 m范圍內進行探測，以進一步查清迎頭前方100 m范圍內的采空積水區、煤系地層富水區分布情況及構造的含水、導水性，為巷道掘進提供水害和地質構造預警，為鉆探探測馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水區提供更精準的靶區。物探探測成果無異常分區段按探測方案中鉆孔設計進行鉆探探測以確保探測精度，根據最終鉆孔施工探測結果分析確定巷道向前掘進，依次循環直至巷道掘進至設計停掘位置。在23109材料巷到位處迎頭上幫施工一組方位48°縱向呈扇形,縱向間距1.5 m，孔深100 m鉆孔，共計1組9個鉆孔，以圈閉探測范圍的缺口，在保證安全的前提下減少了巷道至防隔水煤柱邊界內的探測工程，提高了探測效率。4結論

針對斜溝煤礦23109材料巷特厚煤層區域距洪水灌井的馬圐圙煤礦較近，影響礦井安全生產及采掘銜接的問題，本文根據調查分析綜合研究，制定了切實可行探測方案保證了礦井安全生產的同時，釋放了大量煤炭資源，減少了疏放水、排水、污水處理等工作量，對地面水源水質也起到了保護作用。實踐結果證明，這種井下物探與鉆探相結合，千米定向鉆機與普通液壓坑道鉆機相結合，圈閉式綜合探測洪水灌井老窯方案取得了極好的應用效果，對大型煤礦在尤其是特厚煤層區域防范周邊洪水灌井老窯領域有很好的指導或借鑒意義。