晉華宮礦井下巷道探放水方案的應用研究

曹銀偉

（晉能控股煤業集團有限公司晉華宮礦地質科，山西 大同037016）

0 引言

晉華宮礦河北12-2#層307盤區2714巷，煤層總厚2.4～6.2 m，平均4.1 m；煤層結構簡單，可采性指數Km=1，為較穩定煤層，煤層抗壓強度為355.7～394.0 MPa，普氏系數為2.6～4.0。現2714巷已掘300 m，探測到原11-12#層采空區最低處（底板標高為997.5 m）無積水，上覆采空區往前為上山，結合原11-12#層工作面底板等高線分析原11-12#層采空區內無積水。

通過計算導水裂隙帶高度為94.85 m，與3號層層間距120～130 m，與3號層未導通，3號層采空區即使有積水也對2714巷掘進無影響。

1 井下地質水文勘探

傳統的勘探技術中，對煤礦井下水文條件的勘探主要采用了鉆探法和瞬變電磁法，在實際應用過程中探測效率較低[1]。為提升井下勘探效率，在對2714巷井下水文條件勘探過程中采用了直流電法超前勘探方案。瞬變電磁法也稱時間域電磁法，簡稱TEM，它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二次渦流場的方法。在井下探測時煤峪口礦存在著大量的金屬礦層，因此導致瞬變電磁法探測過程中會產生極大的干擾，需在測試周圍鋪設直徑不小于10 m的屏蔽層，因此探測效率較低，成本較高。直流電法則是利用不同材質呈現出不同的電阻率，根據不同區域的電流分布情況即可判斷出該區域的巖層和積水分布，由于該方案無需設置屏蔽層，因此能夠節約探測成本，提高探測速度，探測結果直觀性好，該勘探方案原理如圖1所示。

圖1 超前探施工裝置圖

該超前探常用方法為“三點源法”[2]，在巷道中設A、B兩極為供電點，其中B點設在無窮遠（5～10倍的探測距離），就形成了以A點為中心穩定的球形電場。設3個不同球形電場A1、A2、A3（見圖1）進行測試，可以得到3組前方相切的介質的視電阻率，經過軟件處理，消除其他方向的干擾，得到前方切點處的視電阻率。連續觀測就得到工作面前方不同距離處介質的視電阻率變化曲線，含水地點的巖石視電阻率會大大降低，依據電阻率的變化情況可以推測出工作面正前方水文地質是否有異常。

對2714巷井下含水區域進行探測時，將供電電極A和B（無窮遠）固定，測量電極從M1、N1開始測量，依次以等間距（10 m）移動，記錄每一個測點的電位差和電流，直到覆蓋所有探測區域，根據實際探測結果，在2714巷內含有9處大的積水區域，方位涵蓋從146-156。

2 探放水方案

該探放水工程的最終目的在于確保煤礦井下綜采面2714巷的綜采作業的安全性，根據采用直流電法的探測結果，以探放水時鉆孔設置數量少、排水徹底為目標，結合煤層的實際結構、層間距等綜合分析，最終確定的2714巷的鉆孔參數如表1所示。

由表1可知在該井下探放水鉆井技術方案中共設置了9個井孔，該9個井孔位置的確定主要是依賴于井下地質水文勘探結果，精確地確定了積水區域的位置，根據積水區域的分布情況，每個區域在底板結構最薄的地方設置1個鉆孔。

表1 2714巷探測14#層預測小窯破壞區鉆孔參數表

現有的利用試鉆探水的方案在探水的過程中主要依靠經驗進行試鉆，根據試鉆后的出水量確定該處的積水情況，平均鉆孔2處才能確定1個合理的放水孔，同時探放水時需要根據一次試鉆結果來確定另一處放水地點，平均確定1個鉆孔的位置耗時約70 min。鉆進過程中具有一定的盲目性，鉆孔一次合格率僅55.8%，需多次擴孔才能滿足鉆孔要求。新的方案采用直流電法能夠快速確定最佳的鉆孔位置，平均耗時約21 min，比傳統方案降低70%以上，根據探測結果可精確確定鉆孔位置，只需一次鉆孔即可完成，因此可將井孔數量降低50%以上。同時根據探測結果直接在底板結構最薄的地方設置1個鉆孔，底板結構較薄，可鉆進性強，鉆孔一次合格率達89.8，比傳統方案提升了61%，能夠顯著的提升井下探放水鉆孔的設置效率。

3 井下排水方案設計

根據井下實際地質情況，要將探放水作業過程中的水排放到指定的區域內，由于2714巷為上山巷道，低點標高990 m，高點標高997 m，排水高差-7 m。采用潛水泵揚升方式排至盤區材料斜井水溝，然后自流到大巷排水溝，實現探放水的自然排放，根據對積水區域單位時間內最大涌水量的計算，探放水作業時的最大涌水量為50 m3/h，因此所選擇的排水設備的類別參數見表2。

表2 2714巷排水泵、備用泵、應急水泵參數表

排水設備的管路規格如下：[3]

管徑：

式中：D為管道直徑，mm；Q為工作面抗災能力，取60 m3/h；V為按經濟流速2.2 m/s計算壁厚：

式中：P為管內流體的靜壓，p=0.11 Hg=0.11×105.5=11.6 kg/cm2；C為余量系數，取0.2 cm；σΠ為許應力，取800 kg/cm2。

根據計算并結合實際情況，選用管徑D100×3 mm的鋼管，可滿足要求。

為了確保在排水過程中的可靠性，在進行排水管路布置時，其管路技術要求如下：

1）管路吊掛在巷道非行人一側。

2）排水管在最下面，距地面0.8 m以上，在巷道低洼處必須留設三通口，主水管與水泵之間按設逆止閥；緊跟工作面30 m內。

3）靜壓水管每隔50 m留設1個三通出水口供防塵灑水用。

井下巷道斷面及支護形式直接影響到排水的順暢性和安全性，由于2714巷為矩形斷面，（寬×高）規格分別為：4.5 m×3 m，巖壁結構相對較為脆弱，在礦壓波動下容易產生垮落，因此采用了W鋼帶錨（索）網支護[4]。巷道斷面滿足鉆探設備運輸、安裝以及掘進施工與探放水交替作業對巷道斷面的要求。

井下排水線路的設計直接關系到探放水排水的經濟性和安全性，結合井下巷道的實際地質情況，在確定采用潛水泵揚升方式排至盤區材料斜井水溝，然后自流到大巷排水溝，實現探放水的自然排放的基礎上，對井下的排水路徑井下了更細致的優化，本著利用現有地形結構、降低土方開挖量的方案[5]，最終確定的井下排水路徑為：2714巷→307皮帶巷→307盤區材料斜井→307集中軌道巷泄水孔→900大巷→副井水倉→地面，結構如圖2所示。

圖2 井下探放水排水路徑示意圖

4 結論

為了確保綜采作業安全，本文根據煤礦井下實際地質情況，對晉華宮礦河北12-2#層307盤區2714巷的探放水技術方案和排水方案進行了研究，提出了新的進行水文地質勘探方案和排水井設置方案，根據實際應用表明：

1）直流電法超前勘探方案，依據電阻率的變化情況可以推測出工作面正前方水文地質是否有異常，達到掌握巷道周圍巖石中引起電場變化的水溫地質構造情況，具有測量精度高，測繪速度快的優點。

2）采用精確勘探的方案下，同傳統的探放水鉆井數量、方位、鉆進參數設計方案對比，新的確定方案能夠將方案設計時間降低70%以上，鉆井井孔的數量降低50%以上，一次鉆進合格率提高了61%。