張利兵

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037003）

水災(zāi)事故是煤礦生產(chǎn)中常見(jiàn)災(zāi)害事故之一。水災(zāi)事故一旦發(fā)生，既可導(dǎo)致作業(yè)人員的傷亡，也可造成井下設(shè)備毀壞，嚴(yán)重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)。如2010年3月28日，山西王家?guī)X透水事故造成38人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)五千萬(wàn)元。因此，礦井水災(zāi)事故的防治工作，對(duì)于確保生產(chǎn)具有十分重要的意義。

大同地區(qū)煤層為侏羅系和石炭系雙系煤層，其中上部侏羅系大同組含煤多達(dá)15層，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，給物探工作帶來(lái)了極大的不利影響，要探測(cè)含水情況，確保探測(cè)精度，單一的物探手段無(wú)法滿足防治水工作要求，因此必須采用多種不同探測(cè)手段相結(jié)合、井上井下綜合探測(cè)的方法。在煤礦水害事故影響重大的大背景下，石炭紀(jì)放頂煤工作面老空水的有效探放，能夠很好地降低事故發(fā)生概率，提高安全效益。

本文以同忻煤礦為例，介紹多種不同探測(cè)方法，并通過(guò)分析資料和實(shí)際調(diào)查，建立地面與井下綜合探測(cè)以及立體防治體系，該體系的建立對(duì)于及時(shí)排除水患、優(yōu)化排水系統(tǒng)，確保煤炭安全高效生產(chǎn)有著明顯作用。

1 礦井概述

同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司是由大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司（控股72%）和國(guó)電電力（控股28%）共同投資建設(shè)的千萬(wàn)噸級(jí)特大型現(xiàn)代化礦井之一。同忻煤礦井田面積85.1242km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a，礦井服務(wù)年限62.4a，可采儲(chǔ)量14.4億t，開(kāi)拓方式為斜、立井混合式。同忻井田位于大同煤田北東部，井田內(nèi)侏羅系經(jīng)過(guò)60多年的開(kāi)采已趨于枯竭。同忻煤礦是第一批批準(zhǔn)延伸開(kāi)采石炭二疊系煤層的礦井。主采煤層為石炭系3～5#層、8#層。其中，3～5#層為一水平，煤層平均厚度約13.67m，8#層為二水平，平均煤厚約3.42m。礦井地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件中等，礦井正常絕對(duì)涌水量178m3/h，最大涌水量263m3/h。開(kāi)采方法為綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高開(kāi)采，采場(chǎng)空間比較大，雙系煤層之間聯(lián)系復(fù)雜，采空區(qū)賦存水問(wèn)題嚴(yán)重。從水害情況來(lái)看，上覆采空區(qū)積水面積達(dá)1146.729萬(wàn)m2，積水量達(dá)932.7715萬(wàn)m3。

根據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)勘查，存在的主要探測(cè)問(wèn)題有以下三點(diǎn)：（1）侏羅系煤層采空區(qū)較多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，給探測(cè)工作帶來(lái)非常大的困難；（2）鉆探施工要穿過(guò)采空區(qū)進(jìn)行，難度較大；（3）上覆侏羅系煤層多采用刀柱開(kāi)采，采空區(qū)積水賦存十分復(fù)雜。為解決這些困難，提高探測(cè)精度和技術(shù)水平，決定采用多手段立體探放技術(shù)。

2 采空區(qū)積水災(zāi)害探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 地面復(fù)合源瞬變電磁勘探技術(shù)

傳統(tǒng)的通過(guò)地面探測(cè)采空區(qū)積水的方法是大回線磁性源瞬變電磁法，其發(fā)射回線一般為單匝大矩形回線，遇到異常體時(shí)，電流瞬間被關(guān)斷，隨即被激勵(lì)其感應(yīng)渦流場(chǎng)維持電流斷開(kāi)前的磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化后，信號(hào)接收器接收到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而判斷工作面前方的水文地質(zhì)情況，該方法能夠較好地對(duì)充水采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，但是對(duì)于多層采空區(qū)垂直分布的探測(cè)效果一般。因此，可以在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，增加電性源激勵(lì)技術(shù)，該技術(shù)原理與大回線磁性源瞬變電磁法類似，但是可以進(jìn)行垂直方向探測(cè)。這樣通過(guò)兩種不同的技術(shù)的配合和互補(bǔ)，提高多層采空區(qū)探測(cè)精度和分辨能力。地面復(fù)合源瞬變電磁勘探技術(shù)說(shuō)明示意圖如圖1所示。

圖1 地面復(fù)合源瞬變電磁技術(shù)說(shuō)明

2.2 地面--井下巷道瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

采用地面—井下巷道瞬變電磁探測(cè)技術(shù)可以使探測(cè)精度得到大幅度提高。該技術(shù)為在地面鋪設(shè)發(fā)射回線建立人工場(chǎng)，利用大線圈強(qiáng)電流提高探測(cè)精度，然后在井下回采巷道內(nèi)布置接收點(diǎn)，降低信號(hào)干擾。

2.3 穿越采空區(qū)風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)

探放水鉆孔特別是大孔徑抽水鉆孔經(jīng)常要穿過(guò)采空區(qū)，使用傳統(tǒng)鉆進(jìn)技術(shù)常發(fā)生卡鉆、埋鉆等現(xiàn)象。而風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的工作原理是利用壓縮空氣帶動(dòng)孔內(nèi)沖擊器，通過(guò)沖擊——回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力將巖石擊碎，并通過(guò)套管和高壓氣流帶走巖粉，能夠有效避免卡鉆、埋鉆情況的發(fā)生。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)示意圖

3 采空區(qū)水害防治體系研究

針對(duì)前文介紹的同忻煤礦雙系煤層防治水存在的難題，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，決定采用多種手段，建立上下立體交叉礦井水害防治體系。下面對(duì)該體系進(jìn)行具體情況說(shuō)明，體系示意圖如圖3所示。

圖3 同忻煤礦上下立體交叉礦井水害防治體系示意圖

3.1 體系組成說(shuō)明

（1）地面鉆孔貫通采空區(qū)直排水

如圖3所示，首先根據(jù)地面物探的結(jié)果和相關(guān)采掘情況等資料，進(jìn)行地面探放水孔的施工工作。鉆孔開(kāi)孔孔徑Φ133mm，終孔孔徑Φ94mm，下入Φ89mm套管，在套管口焊接法蘭盤，并與Φ219mm放水管路連接疏放采空區(qū)積水。同忻煤礦于2011年11月至2014年5月，共施工了9個(gè)地面放水孔，累計(jì)排放采空區(qū)積水404.5萬(wàn)m3。

（2）井下深孔探放

采用CMS1-6000/55煤礦深孔鉆車，探測(cè)上覆侏羅系大同組14#、12#、11#煤層房柱工作面采空區(qū)和廢棄大巷，孔深240m，開(kāi)孔孔徑Φ143mm，套管Φ108mm，終孔孔徑Φ80mm，孔壁進(jìn)行注漿封堵，孔口安設(shè)防水閘閥。同忻礦共施工46個(gè)井下探放水孔，累計(jì)疏放采空區(qū)積水5萬(wàn)m3。

（3）地面大孔徑抽水井抽放

為了減少礦井主排水系統(tǒng)承受的負(fù)擔(dān)，利用地面大孔徑抽水井抽放上覆侏羅系采空區(qū)水。同忻煤礦共施工3個(gè)地面抽水孔，其中1個(gè)孔徑Φ550mm，2個(gè)孔徑Φ350mm，抽放采空區(qū)積水6.1萬(wàn)m3。

（4）聯(lián)合排水

由于開(kāi)采過(guò)程中，礦井距離較近，可以從兩個(gè)礦井之間的聯(lián)系入手，避免水害事故發(fā)生。同忻礦在進(jìn)行相鄰區(qū)域水害治理中，利用同煤集團(tuán)同家梁礦現(xiàn)有的排水系統(tǒng)，在其五號(hào)暗斜井安裝三臺(tái)功率55kW水泵，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)水倉(cāng)處理積水，累計(jì)排放采空區(qū)積水290萬(wàn)m3。

3.2 應(yīng)用效果

（1）采用地面綜合物探與井下物探相結(jié)合的綜合探查技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地探查采空區(qū)積水，精細(xì)化判斷可能存在的異常范圍，為防治水工作提供更加準(zhǔn)確，也更加可靠的技術(shù)支撐，既降低了成本，又確保了煤礦安全生產(chǎn)。

（2）新的綜合防治水體系，優(yōu)化和升級(jí)了石炭系放頂煤工作面單一、簡(jiǎn)單的水患探測(cè)和防治技術(shù)，防治水工作取得了顯著成效。該技術(shù)可以為類似工作面的防治水提供技術(shù)支撐，為防治水和煤炭安全開(kāi)采提供保障。

（3）該礦利用綜合排放水體系，累計(jì)疏放采空區(qū)積水720.2萬(wàn)m3。有效遏制了透水事故的發(fā)生。實(shí)踐證明，排放水效果較好。

4 總結(jié)

同忻煤礦開(kāi)采雙系煤層，采空區(qū)含水情況比較復(fù)雜，為了解決現(xiàn)場(chǎng)面臨的困難，對(duì)關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，同時(shí)建立了上下立體交叉的防治水體系。防治水體系通過(guò)地面鉆孔貫通采空區(qū)直排水、井下深孔探放、地面大孔徑抽水井抽放以及侏羅系老礦井分流等綜合手段，有效解決了排水問(wèn)題，并降低施工工程量，提高探放水作業(yè)效率。