曹銀偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司晉華宮礦地質(zhì)科，山西 大同037016）

0 引言

晉華宮礦河北12-2#層307盤區(qū)2714巷，煤層總厚2.4～6.2 m，平均4.1 m；煤層結(jié)構(gòu)簡單，可采性指數(shù)Km=1，為較穩(wěn)定煤層，煤層抗壓強(qiáng)度為355.7～394.0 MPa，普氏系數(shù)為2.6～4.0。現(xiàn)2714巷已掘300 m，探測到原11-12#層采空區(qū)最低處（底板標(biāo)高為997.5 m）無積水，上覆采空區(qū)往前為上山，結(jié)合原11-12#層工作面底板等高線分析原11-12#層采空區(qū)內(nèi)無積水。

通過計算導(dǎo)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(dǎo)通，3號層采空區(qū)即使有積水也對2714巷掘進(jìn)無影響。

1 井下地質(zhì)水文勘探

傳統(tǒng)的勘探技術(shù)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(shí)際應(yīng)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(fā)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(dǎo)致瞬變電磁法探測過程中會產(chǎn)生極大的干擾，需在測試周圍鋪設(shè)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(zhì)呈現(xiàn)出不同的電阻率，根據(jù)不同區(qū)域的電流分布情況即可判斷出該區(qū)域的巖層和積水分布，由于該方案無需設(shè)置屏蔽層，因此能夠節(jié)約探測成本，提高探測速度，探測結(jié)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(diǎn)源法”[2]，在巷道中設(shè)A、B兩極為供電點(diǎn)，其中B點(diǎn)設(shè)在無窮遠(yuǎn)（5～10倍的探測距離），就形成了以A點(diǎn)為中心穩(wěn)定的球形電場。設(shè)3個不同球形電場A1、A2、A3（見圖1）進(jìn)行測試，可以得到3組前方相切的介質(zhì)的視電阻率，經(jīng)過軟件處理，消除其他方向的干擾，得到前方切點(diǎn)處的視電阻率。連續(xù)觀測就得到工作面前方不同距離處介質(zhì)的視電阻率變化曲線，含水地點(diǎn)的巖石視電阻率會大大降低，依據(jù)電阻率的變化情況可以推測出工作面正前方水文地質(zhì)是否有異常。

對2714巷井下含水區(qū)域進(jìn)行探測時，將供電電極A和B（無窮遠(yuǎn)）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(diǎn)的電位差和電流，直到覆蓋所有探測區(qū)域，根據(jù)實(shí)際探測結(jié)果，在2714巷內(nèi)含有9處大的積水區(qū)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(yè)的安全性，根據(jù)采用直流電法的探測結(jié)果，以探放水時鉆孔設(shè)置數(shù)量少、排水徹底為目標(biāo)，結(jié)合煤層的實(shí)際結(jié)構(gòu)、層間距等綜合分析，最終確定的2714巷的鉆孔參數(shù)如表1所示。

由表1可知在該井下探放水鉆井技術(shù)方案中共設(shè)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(zhì)水文勘探結(jié)果，精確地確定了積水區(qū)域的位置，根據(jù)積水區(qū)域的分布情況，每個區(qū)域在底板結(jié)構(gòu)最薄的地方設(shè)置1個鉆孔。

表1 2714巷探測14#層預(yù)測小窯破壞區(qū)鉆孔參數(shù)表

現(xiàn)有的利用試鉆探水的方案在探水的過程中主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試鉆，根據(jù)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(jù)一次試鉆結(jié)果來確定另一處放水地點(diǎn)，平均確定1個鉆孔的位置耗時約70 min。鉆進(jìn)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(kuò)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(tǒng)方案降低70%以上，根據(jù)探測結(jié)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(shù)量降低50%以上。同時根據(jù)探測結(jié)果直接在底板結(jié)構(gòu)最薄的地方設(shè)置1個鉆孔，底板結(jié)構(gòu)較薄，可鉆進(jìn)性強(qiáng)，鉆孔一次合格率達(dá)89.8，比傳統(tǒng)方案提升了61%，能夠顯著的提升井下探放水鉆孔的設(shè)置效率。

3 井下排水方案設(shè)計

根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)情況，要將探放水作業(yè)過程中的水排放到指定的區(qū)域內(nèi)，由于2714巷為上山巷道，低點(diǎn)標(biāo)高990 m，高點(diǎn)標(biāo)高997 m，排水高差-7 m。采用潛水泵揚(yáng)升方式排至盤區(qū)材料斜井水溝，然后自流到大巷排水溝，實(shí)現(xiàn)探放水的自然排放，根據(jù)對積水區(qū)域單位時間內(nèi)最大涌水量的計算，探放水作業(yè)時的最大涌水量為50 m3/h，因此所選擇的排水設(shè)備的類別參數(shù)見表2。

表2 2714巷排水泵、備用泵、應(yīng)急水泵參數(shù)表

排水設(shè)備的管路規(guī)格如下：[3]

管徑：

式中：D為管道直徑，mm；Q為工作面抗災(zāi)能力，取60 m3/h；V為按經(jīng)濟(jì)流速2.2 m/s計算壁厚：

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

根據(jù)計算并結(jié)合實(shí)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(jìn)行排水管路布置時，其管路技術(shù)要求如下：

1）管路吊掛在巷道非行人一側(cè)。

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(shè)三通口，主水管與水泵之間按設(shè)逆止閥；緊跟工作面30 m內(nèi)。

3）靜壓水管每隔50 m留設(shè)1個三通出水口供防塵灑水用。

井下巷道斷面及支護(hù)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(guī)格分別為：4.5 m×3 m，巖壁結(jié)構(gòu)相對較為脆弱，在礦壓波動下容易產(chǎn)生垮落，因此采用了W鋼帶錨（索）網(wǎng)支護(hù)[4]。巷道斷面滿足鉆探設(shè)備運(yùn)輸、安裝以及掘進(jìn)施工與探放水交替作業(yè)對巷道斷面的要求。

井下排水線路的設(shè)計直接關(guān)系到探放水排水的經(jīng)濟(jì)性和安全性，結(jié)合井下巷道的實(shí)際地質(zhì)情況，在確定采用潛水泵揚(yáng)升方式排至盤區(qū)材料斜井水溝，然后自流到大巷排水溝，實(shí)現(xiàn)探放水的自然排放的基礎(chǔ)上，對井下的排水路徑井下了更細(xì)致的優(yōu)化，本著利用現(xiàn)有地形結(jié)構(gòu)、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(qū)材料斜井→307集中軌道巷泄水孔→900大巷→副井水倉→地面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井下探放水排水路徑示意圖

4 結(jié)論

為了確保綜采作業(yè)安全，本文根據(jù)煤礦井下實(shí)際地質(zhì)情況，對晉華宮礦河北12-2#層307盤區(qū)2714巷的探放水技術(shù)方案和排水方案進(jìn)行了研究，提出了新的進(jìn)行水文地質(zhì)勘探方案和排水井設(shè)置方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

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

2）采用精確勘探的方案下，同傳統(tǒng)的探放水鉆井?dāng)?shù)量、方位、鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計方案對比，新的確定方案能夠?qū)⒎桨冈O(shè)計時間降低70%以上，鉆井井孔的數(shù)量降低50%以上，一次鉆進(jìn)合格率提高了61%。