特厚煤層區(qū)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(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦23109材料巷位于太原組13號煤層21采區(qū)北翼中東部，掘進(jìn)方位0°0′0″，沿太原組13號煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)方向東側(cè)有馬圐圙煤礦（開采13號煤層，2007年7月22日淹井后關(guān)閉）、原斜溝煤礦舊礦（開采13號煤），受兩關(guān)閉煤礦影響段長1 042 m，設(shè)計(jì)巷道距根據(jù)物探異常劃定的積水線最近72 m，所在區(qū)域整體為一走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)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(cè)13號煤層滯留于采空區(qū)封閉圈內(nèi)造成資源損失，保證礦井采掘銜接順利進(jìn)行和23109工作面設(shè)計(jì)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(jìn)和后期23109工作面回采的影響，經(jīng)過調(diào)查老空區(qū)采掘情況、洪水灌井的事故經(jīng)過及形成機(jī)理、各類報(bào)告的敘述、氣象水文資料等，結(jié)合該區(qū)域以往勘查成果綜合分析推斷洪水灌井老窯的現(xiàn)積水情況，研究制定切實(shí)可行探測方案以保礦井安全生產(chǎn)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(zhǔn)開采13號煤層，生產(chǎn)規(guī)模6萬t/a，井田面積0.559 4 km2。于2007年7月23日淹井后關(guān)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(shù)有限公司對21采區(qū)東部馬圐圙一帶進(jìn)行了瞬變電磁法和測氡法勘探，劃定了采空異常區(qū)域。斜溝舊礦位于井田東部，2003年3月協(xié)議轉(zhuǎn)讓給山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，沿用原副平硐對8號煤層進(jìn)行了開采，原13號煤層主斜井廢棄，根據(jù)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(nèi)容較多，資料可信程度不高，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)。23109材料巷位于兩關(guān)閉煤礦傾向下山西側(cè)，受兩老窯影響段長1 042 m，設(shè)計(jì)巷道距根據(jù)物探異常劃定的積水線最近72 m。其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 斜溝煤礦23109材料巷位置關(guān)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(shè)備及工藝。物探采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院YCS1024礦用本安型瞬變電磁儀及配套數(shù)據(jù)解釋處理軟件，鉆探使用中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的ZDY-1300礦用液壓鉆機(jī)和威利朗沃公司生產(chǎn)的ZYL-2300D型千米定向鉆機(jī)。總體采用安全范圍圈定，異常范圍探測驗(yàn)證，隨著探測成果分析逐步補(bǔ)充的方法進(jìn)行。

2.1 物探設(shè)計(jì)方案

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

表1 物探工作量

2.2 ZYL-2300D型千米定向鉆機(jī)探測方案

23109材料巷掘進(jìn)進(jìn)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(jī)鉆場，使用ZYL-2300D型千米定向鉆機(jī)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(cè)5 m煤層厚度范圍內(nèi)布置縱向錯(cuò)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(shè)計(jì)的23109工作面回采范圍不受老空水害影響及現(xiàn)設(shè)計(jì)在水害防治安全角度的合理性；硐室內(nèi)在巷道掘進(jìn)方向煤層厚度范圍內(nèi)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(jìn)前方老空水害的大致情況供巷道設(shè)計(jì)、探測方案預(yù)先變更提供依據(jù)和補(bǔ)充后續(xù)ZDY-1300礦用液壓鉆機(jī)探測范圍的上覆煤層。

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

圖3 巷道掘進(jìn)方向煤層厚度范圍內(nèi)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(jī)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(jī)布置8個(gè)探測鉆孔，煤層賦存方向布置5個(gè)孔，垂直方向的前進(jìn)方向布置3個(gè)孔，3個(gè)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(jìn)而進(jìn)行，如圖4所示；23109材料巷進(jìn)入馬圐圙煤礦物探成果劃定的探水線內(nèi)以內(nèi)區(qū)域（462 m），使用ZDY-1300礦用液壓鉆機(jī)，按照探放老空水管理工作要求設(shè)計(jì)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(jì)17組51個(gè)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(gè)孔，孔深100 m鉆孔，共計(jì)15組45個(gè)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(jì)1組9個(gè)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(shí)間過長而影響采掘銜接正常進(jìn)行，且疏放出的老空水加速排水設(shè)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(qū)的同時(shí)保證工作面的安全掘進(jìn)與回采。根據(jù)預(yù)計(jì)馬圐圙煤礦和斜溝舊井老空積水最高標(biāo)高+965 m，將積水線視作水淹區(qū)域的界線，按《煤礦防治水細(xì)則》水淹區(qū)域下采掘時(shí)防隔水煤（巖）柱的留設(shè)參照經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

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

令K=5，M=14.86，P=0.85，Kp=0.8，計(jì)算得：L=66.3 m。

表2 鉆探工作量

使用ZYL-2300D型千米定向鉆機(jī)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(cè)5 m煤層厚度范圍內(nèi)布置縱向錯(cuò)位鉆孔間距1.5 m的探測鉆孔3組9孔，這種布置方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離近間距鉆孔在確保勘查精度的同時(shí)不會造成穿孔而報(bào)廢的現(xiàn)象，預(yù)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(jìn)方向煤層厚度范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)了以最少的探測工程量及早初步查清了巷道掘進(jìn)前方巷道上覆煤層中的老空破壞及積水情況，遠(yuǎn)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(gè)孔，孔深100 m鉆孔，共計(jì)15組45個(gè)鉆孔，以補(bǔ)充查明ZYL-2300D型千米定向鉆機(jī)探測工程的盲區(qū)進(jìn)一步做好水害防范工作。在千米定向鉆機(jī)探測成果的基礎(chǔ)上研究決定巷道是否變更設(shè)計(jì)及制定補(bǔ)充探測方案，探測結(jié)果無異常，使用YCS1024礦用本安型瞬變電磁儀在巷道掘進(jìn)方向和垂直于巷道的傾向上山順煤層方向100 m范圍內(nèi)進(jìn)行探測，以進(jìn)一步查清迎頭前方100 m范圍內(nèi)的采空積水區(qū)、煤系地層富水區(qū)分布情況及構(gòu)造的含水、導(dǎo)水性，為巷道掘進(jìn)提供水害和地質(zhì)構(gòu)造預(yù)警，為鉆探探測馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水區(qū)提供更精準(zhǔn)的靶區(qū)。物探探測成果無異常分區(qū)段按探測方案中鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆探探測以確保探測精度，根據(jù)最終鉆孔施工探測結(jié)果分析確定巷道向前掘進(jìn)，依次循環(huán)直至巷道掘進(jìn)至設(shè)計(jì)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(jì)1組9個(gè)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(nèi)的探測工程，提高了探測效率。4結(jié)論

針對斜溝煤礦23109材料巷特厚煤層區(qū)域距洪水灌井的馬圐圙煤礦較近，影響礦井安全生產(chǎn)及采掘銜接的問題，本文根據(jù)調(diào)查分析綜合研究，制定了切實(shí)可行探測方案保證了礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，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(zhì)也起到了保護(hù)作用。實(shí)踐結(jié)果證明，這種井下物探與鉆探相結(jié)合，千米定向鉆機(jī)與普通液壓坑道鉆機(jī)相結(jié)合，圈閉式綜合探測洪水灌井老窯方案取得了極好的應(yīng)用效果，對大型煤礦在尤其是特厚煤層區(qū)域防范周邊洪水灌井老窯領(lǐng)域有很好的指導(dǎo)或借鑒意義。