王國旺

（開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)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(chǎn)，井田位于河北省唐山市古冶區(qū)境內(nèi)，水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型，礦井主要受陷落柱導(dǎo)通奧灰強(qiáng)含水層水害威脅。礦井北翼及井口區(qū)域多有巖溶陷落柱發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)的巖溶陷落柱達(dá)14 個。范各莊歷史上因陷落柱導(dǎo)通奧灰水造成的重大水害事故有2 次。隨著礦井生產(chǎn)向大采深、條件復(fù)雜區(qū)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(qiáng)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，綜合利用超前物探、鉆探、化探方法，結(jié)合開采過程中的中間指示層監(jiān)測和奧灰快速識別等措施，實時監(jiān)測采動過程中水量、水壓、水溫、水質(zhì)等參數(shù)的變化，對可能發(fā)生突水的危險區(qū)提前進(jìn)行預(yù)報，及時采取安全技術(shù)措施。

2120（4） 工作面位于范各莊礦北翼區(qū)域，該區(qū)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(fā)育，往往溝通各含水層而導(dǎo)致井下發(fā)生突水。2120（4） 工作面東部為12 號陷落柱及北二條帶區(qū)，東北部為2298 高水位異常區(qū)，東南部為208 高水位異常區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。工作面走向長度476.0 m，傾斜長度185 m，工作面標(biāo)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(yù)防突水技術(shù)措施，引進(jìn)安裝了微震監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測工作面回采過程中定位裂隙時空位置，通過分析數(shù)據(jù)確定采空區(qū)側(cè)底板在應(yīng)力作用下裂隙發(fā)育深度，確保無奧灰水突水危險。

2 超前預(yù)防工作面突水技術(shù)

2.1 建立微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 基本原理

微震監(jiān)測系統(tǒng)（圖1） 是通過感知導(dǎo)水通道形成過程中的巖石破裂，精細(xì)定位處理解釋以對導(dǎo)水通道形成過程進(jìn)行監(jiān)測。該技術(shù)具有實時、連續(xù)、全空間動態(tài)監(jiān)測、主動擾動探測特點(diǎn)。通過注漿、放水等人工擾動，在含水層原有裂隙內(nèi)產(chǎn)生劈裂、破巖、真空吸蝕、巖溶崩塌等，誘發(fā)一系列微震事件發(fā)生，監(jiān)測、分析這些微震事件的時空變化規(guī)律，可以確定注漿漿液擴(kuò)散范圍、路徑及含水層儲水結(jié)構(gòu)形態(tài)、集中導(dǎo)水通道、突水口位置、工作面周邊構(gòu)造活化監(jiān)測等，為預(yù)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(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

2.1.2 微震動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)布置

本次微震監(jiān)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(fēng)巷1～5 號檢波器及工作面風(fēng)道6號檢波器接1 號采集分站，進(jìn)行永久監(jiān)測；工作面風(fēng)運(yùn)道7～12 號檢波器接2 號采集分站。2120（4）工作面微震監(jiān)測孔分布如圖1 所示。

圖1 2120（4） 工作面微震監(jiān)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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)觀測要求和觀測結(jié)果

微震系統(tǒng)觀測要求由河北煤科院向范各莊礦發(fā)送微震監(jiān)測日報、月報，遇異常情況發(fā)臨時預(yù)報，并由河北煤科院根據(jù)當(dāng)前微震監(jiān)測結(jié)果，給出采面回采建議，指導(dǎo)日常生產(chǎn)。

根據(jù)微震系統(tǒng)每日觀測結(jié)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(jiān)測到唐山古冶區(qū)地震事件，未監(jiān)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(fā)現(xiàn)異常區(qū)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(bǔ)給關(guān)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(fèi)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(fēng)險。

通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)水構(gòu)造位置和導(dǎo)水性提供依據(jù)。因此，經(jīng)過分析研究，將12-14 煤含水層及14 煤-K3 灰?guī)r含水層作為指示層，鉆孔打至指示層內(nèi)即可間接判斷工作面底板范圍內(nèi)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)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(zhì)化驗結(jié)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(shù)參數(shù)Table 1 Actual drilling technical parameters

2.2.3 回采過程中觀測要求及觀測結(jié)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(zhì)、水溫、水量、水壓的變化情況，能夠直觀且準(zhǔn)確的反應(yīng)回采過程中該區(qū)域水文地質(zhì)條件的變化情況，對底板水害起到提前預(yù)警的作用。在回采過程中，打開該孔疏降2120 （4） 工作面 （圖 2） 區(qū)域 K3 含水層水位，每周對該孔的水質(zhì)、水溫、水量、水壓觀測一次。水壓觀測以鉆孔瓦路關(guān)閉20 min 后觀測的水壓作為標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)化驗無硝酸根。通過每周觀測結(jié)果對比，回采過程中水量、水壓、水溫和水質(zhì)與采前觀測結(jié)果一致，說明回采過程中底板裂隙未導(dǎo)通奧灰含水層。

2.3 利用礦井水文自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.3.1 基本原理

礦井水文自動監(jiān)測系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)，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(shù)采集水文觀測孔的水溫、水位、水壓信息，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C(jī)，進(jìn)行處理分析，為煤礦安全生產(chǎn)提供預(yù)警機(jī)制。該系統(tǒng)集水文數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、水害預(yù)警、輔助決策于一體，采用現(xiàn)代化監(jiān)測手段對地下水的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握水文動態(tài)，達(dá)到對水害事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報、早防治的目的。

2.3.2 礦井水文觀測孔自動監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測孔4 個，分別是O14 孔、O3 孔、O6孔、彭17 孔，均處于完好狀態(tài)；沖積層監(jiān)測孔2個，分別為沖14 孔、沖17 孔，均處于完好狀態(tài)；12 煤底板含水層監(jiān)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(jiān)測孔4 個，分別為2-17 孔、304-2 孔、J下7 孔、探 8 孔；唐山灰?guī)r監(jiān)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(jié)果

2120（4） 工作面區(qū)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?；夭善陂g要求每日進(jìn)行觀測，對比數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常變化及時匯報。

觀測結(jié)果為地面014 孔水位在±2m 范圍內(nèi)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(fā)生。

2.4 其他監(jiān)測技術(shù)方法及要求

2120（4） 工作面區(qū)域有涌水點(diǎn)存在，2120（3） 采空區(qū)涌水量能夠直觀反應(yīng)2120（4） 工作面回采對該區(qū)域水文地質(zhì)條件的影響，起到預(yù)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(yù)警作用。2120（4） 工作面采中涌水變化情況能夠直觀反映該區(qū)域水文地質(zhì)條件變化情況。因此要求井下各巡查地點(diǎn)每周至少調(diào)查一次，觀測涌水點(diǎn)水量、水溫、水質(zhì)變化情況，對比數(shù)據(jù)。

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

3 結(jié) 語

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