夏國華

（江西樂礦能源集團(tuán)有限公司，江西 景德鎮(zhèn)）

引言

本文針對礦井經(jīng)常出現(xiàn)的水害事故提出了地測防治水的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，相關(guān)技術(shù)的精確效果直接影響到水害事故的防治效果，故而要采用更多先進(jìn)技術(shù)提高其結(jié)果的準(zhǔn)確性，文章對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探究。

1 礦井常見的突水事故

礦井生產(chǎn)作業(yè)的條件較為復(fù)雜，故而經(jīng)常會(huì)遇到突水事故，其常見事故類型包括透水事故、冒頂潰水事故以及突水后中毒事故等，都會(huì)直接危害到礦工人身安全，常常會(huì)造成人員失蹤甚至是死亡，因此要加強(qiáng)事故預(yù)防，表1 為2010-2019 年期間全國各煤礦開采工程中的突水事故發(fā)生的起數(shù)和實(shí)際死亡人數(shù)。

表1 2010-2019 年期間煤礦突水事故發(fā)生情況

礦井突水事故發(fā)生的原因較為復(fù)雜，通常與礦井內(nèi)病害問題有關(guān)。例如，某礦地理位置處在煤田東部，其結(jié)構(gòu)為單斜形式，淺部地層具有陡峭性質(zhì)，傾角約為68.1°，局部位置有倒轉(zhuǎn)情況，深部地層傾角在4.7°～11.8°之間，呈平緩態(tài)勢，井內(nèi)部大中型斷裂和褶皺部分都是簡單構(gòu)造，長期實(shí)踐可發(fā)現(xiàn)有小斷層，由于處于特殊區(qū)段當(dāng)中，其附近也具有繁雜的水文地質(zhì)條件，面臨水害威脅的可能性更大。礦井自開發(fā)建成與投入運(yùn)作后截止到2020 年，共累計(jì)出現(xiàn)突水問題超過100 次，基于突水量劃分事故，其中小于1 m3/min的事故有61 次，處于1 m3/min～5 m3/min 范圍的事故有34 次，大于5 m3/min 的事故有7 次，如表2 所示。根據(jù)事故的沖水水源進(jìn)行分類，其中基巖風(fēng)化帶裂隙水事故有26 次，頂板砂巖裂隙水事故發(fā)生20次，老空水+老塘水事故共有4 次，上中下三段分別發(fā)生灰?guī)r水事故34 次、13 次以及6 次，如表3 所示。相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該礦井突水事故的最高值達(dá)到199.87 m3/h[1]。

表2 不同突水量的事故發(fā)生次數(shù)

表3 不同沖水水源的事故發(fā)生次數(shù)

2 礦井地測防治水預(yù)測預(yù)報(bào)精準(zhǔn)性技術(shù)

2.1 礦井瞬變電磁法探測技術(shù)

許多礦井突水事故都是由于煤層頂?shù)装宀『σl(fā)，正如上述分析了頂板砂巖裂隙水事故類型，其造成的危害較嚴(yán)重，為了使相關(guān)水害事故發(fā)生概率進(jìn)一步降低，對于礦井地測防治水來說，建議在開采之前，針對煤層頂?shù)装搴屎拖鄬Ω凰畢^(qū)域?qū)嵤I(yè)勘測，主要勘測其地質(zhì)條件與水文環(huán)境，檢查煤層頂?shù)装逦恢玫膶?shí)時(shí)含水率，從而實(shí)現(xiàn)水害的精準(zhǔn)化預(yù)測預(yù)報(bào)[2]。在勘測作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)運(yùn)用到井下與地面聯(lián)合的礦井瞬變電磁法探測技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在許多復(fù)雜煤礦中的富水區(qū)探測中得到廣泛運(yùn)用。通常情況下，礦井水平位置100 m 以下到100 m 以上附近都有著富水區(qū)域，專業(yè)勘測人員也注意到要檢查其每層頂?shù)装搴闆r，而相對富水區(qū)則一般是在水平位置40 m 以下到40 m 以上左右位置處。但隨著水平位置慢慢向上變化，礦井富水區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，尤其是水平位置40 m 以上區(qū)域的富水特征更明顯，技術(shù)操作人員可使用專業(yè)探測儀對煤礦富水區(qū)域煤層含水情況加以檢測，進(jìn)而通過地質(zhì)條件判斷突水事故發(fā)生的隱患，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。瞬變電磁法探測的最大距離范圍在100 m 左右，其測點(diǎn)間距則是控制在2 m～20 m，具體回線匝數(shù)和邊長大小也要依據(jù)井下實(shí)際情況，例如，對某礦7240 上（N）工作面頂板含水率富存狀況進(jìn)行探查時(shí)，采用TEM47 瞬變電磁儀，布置測點(diǎn)時(shí)以8 m 為間距標(biāo)準(zhǔn)，朝向切眼方向，探測時(shí)的總走向長度約545 m，探測頻率達(dá)到25 HZ，經(jīng)探查發(fā)現(xiàn)煤層頂板縱坐標(biāo)40 m～55 m 之間的范圍區(qū)域富水性較強(qiáng)，含水層可能會(huì)影響到工作面開采，引發(fā)突水事故，有效實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)報(bào)，故而要盡快加強(qiáng)治理，開展探放水工作[3]。圖1 為井下與地面聯(lián)合瞬變電磁法探測的礦井富水情況。

圖1 井下與地面聯(lián)合瞬變電磁法探測的礦井富水情況

礦井瞬變電磁法探測技術(shù)原理是，設(shè)定固定導(dǎo)電率與導(dǎo)磁率，再使其均勻向各同性大地表面敷設(shè)一定面積的矩形發(fā)射回線，這種回線當(dāng)中會(huì)供給階躍脈沖電流，在電流確定斷開前，回線周圍和大地空間就會(huì)在發(fā)射電流作用下形成一個(gè)相對穩(wěn)定的磁場，電流突然斷開也會(huì)導(dǎo)致磁場立刻消失，這種一次磁場產(chǎn)生的劇烈變動(dòng)，會(huì)經(jīng)過地下導(dǎo)電介質(zhì)與空氣進(jìn)一步傳導(dǎo)至回線周圍的大地區(qū)域中，進(jìn)一步激發(fā)出感應(yīng)電流，以此來維持消失發(fā)射電流的磁場空間，介質(zhì)本身具有歐姆損耗，造成感應(yīng)電流的衰減作用，磁場也會(huì)衰弱，此變化引發(fā)周圍介質(zhì)的出現(xiàn)新的強(qiáng)度頗弱的渦流，持續(xù)該過程后，大地歐姆消耗會(huì)完全消耗掉磁場能量，形成了瞬變電磁過程，伴隨著的相應(yīng)電磁場即為瞬變電磁場，能夠?qū)崿F(xiàn)對井區(qū)域?qū)嶋H富水情況的準(zhǔn)確探測和了解。

2.2 老空水突水預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)

在大部分礦井突水事故當(dāng)中，老空水突水是殺傷力最強(qiáng)的水害問題，其特征是在很短時(shí)間內(nèi)涌進(jìn)較大水量，給礦井作業(yè)人員安全造成威脅，這種水量的沖擊程度較強(qiáng)，因此也會(huì)干擾到地質(zhì)層，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)地質(zhì)層坍塌事故，帶來更強(qiáng)的威脅，為了盡可能降低老空水突水事故的發(fā)生概率，需要采用科學(xué)的老空水探查預(yù)測預(yù)報(bào)手段。首先，現(xiàn)場檢查礦井情況時(shí)，針對井下主體作業(yè)面，要獲取完整、準(zhǔn)確的地質(zhì)水文數(shù)據(jù)信息，為災(zāi)害預(yù)報(bào)模型構(gòu)建提供支持；其次，對已有的資料包括水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、工程報(bào)告以及以往自然災(zāi)害數(shù)據(jù)做深入分析，為實(shí)際預(yù)測和水害防治提供參考，同時(shí)也能利于采用更科學(xué)的手段治理老空水積水問題；最后，開展老空水分布狀態(tài)的現(xiàn)場探查，在工程資料相對完整的情況下，探查時(shí)可以將積水線向外水平推移約60 m，使其作為探水線，在積水量不多或水頭壓力較低情況下，適量減少推移，但不宜低于20 m；若資料不夠充分且積水量大、水頭壓力較高，應(yīng)適當(dāng)增加探水線至100～150 m 范圍內(nèi)，年代久遠(yuǎn)資料很少的老空區(qū)但每層還可加大到200 m 左右。例如，某礦開采造成的老空和水窩類型積水區(qū)域的資料較完整，邊界位置相對準(zhǔn)確，水頭壓力值不超過1 MPa，因此設(shè)計(jì)探水線達(dá)到積水線的每層距離在30 m 左右，通過探測獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步計(jì)算老空水積水量，其實(shí)際計(jì)算公式如下：

式中，W 表示老空積水量，單位為m3；M 表示采厚參數(shù)，單位為m；a 表示老空走向長度，單位為m；h 表示老空垂高參數(shù)，單位為m；F 表示老空區(qū)水平面積，單位為m2，α 表示煤層傾角，單位為°；K 表示老空充水系數(shù)，通常取0.3～0.5。

進(jìn)一步對探水線的內(nèi)鉆孔布置分析并設(shè)計(jì)，確定其超前距、幫距、允許掘進(jìn)距離以及密度等參數(shù)。其中超前距可以按照下述公式計(jì)算：

式中，a 表示超前距，單位為m；L 表示對應(yīng)巷道的跨度，通常取高或?qū)挼淖畲笾?，單位為m；A 表示安全系數(shù)，通常取2～5；p 表示水頭壓力值，單位為MPa；kp表示煤層抗張強(qiáng)度，通過試驗(yàn)測定獲得，單位為MPa，通常取值閥內(nèi)為0.2～1.4 MPa，在難以獲得實(shí)測資料時(shí)借用[4]。

幫距是指最外側(cè)呈扇形布置的探水孔實(shí)際控制范圍和巷道幫之間的距離，該距離通常和超前值一致，也可能略微縮小1～2 m。允許掘進(jìn)距離指經(jīng)過探水后證實(shí)的無水害威脅能夠安全實(shí)施掘進(jìn)的距離長度。密度指鉆孔的孔間距，一般是允許掘進(jìn)距離終點(diǎn)位置探水鉆孔間的距離，大小視情況來定，但通常不會(huì)大于3 m。圖2 為探水鉆孔超前距、允許掘進(jìn)距離以及超前距的相關(guān)示意。

圖2 探水鉆孔超前距、允許掘進(jìn)距離以及超前距的相關(guān)示意

2.3 監(jiān)測采動(dòng)巖層地應(yīng)力對礦井出水預(yù)報(bào)的技術(shù)

礦井煤層和其他地質(zhì)層之間一般處于平衡狀態(tài)，但實(shí)際開采作業(yè)時(shí)，采掘力可能會(huì)打破這種平衡，導(dǎo)致煤層與其他地質(zhì)層之間出現(xiàn)應(yīng)力變動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)裂縫現(xiàn)象，造成一定安全威脅，在此基礎(chǔ)上也有可能出現(xiàn)突水事故。具體來說，煤礦開采時(shí)的裂縫在其他地質(zhì)層或是設(shè)備振動(dòng)作用影響下會(huì)慢慢擴(kuò)大，演變成一條導(dǎo)水性通道，形成突水問題，因此，可以針對采動(dòng)巖層地應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，從而預(yù)測預(yù)報(bào)礦井出水，設(shè)計(jì)相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)，針對透水、突水的特征采用監(jiān)測方法，通常可利用應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法以及剛性包體應(yīng)力計(jì)法，將工作面地層應(yīng)力指數(shù)獲取，巖層內(nèi)部則是安裝傳感器裝置，其可以將搜集到的應(yīng)力變化信息以有線信號形式傳輸?shù)接^測總站，了解地層情況，其中地層應(yīng)力指數(shù)一般為最大地應(yīng)力和巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值，其公式為：

式中，S 表示地層應(yīng)力指數(shù)；σ1表示最大地應(yīng)力；σt表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度比值。

采動(dòng)巖層的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)作用原理頗為簡單，其是借助了傳感器方陣，結(jié)合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和結(jié)果顯示系統(tǒng)，在采煤生產(chǎn)工作面周圍的巖層地應(yīng)力出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，其對應(yīng)的巖層和煤層電阻值也會(huì)出現(xiàn)變化，傳感器方陣對此較為敏感，可快速獲取到變化信息，再將電信號傳遞到數(shù)據(jù)分析處理模塊，獲得分析結(jié)果。采動(dòng)巖層地應(yīng)力監(jiān)測作用能夠落實(shí)到礦井生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，其也能為了解地質(zhì)出水現(xiàn)象提供很大幫助，進(jìn)一步防治礦井地層的水害問題，提高礦井施工生產(chǎn)的安全水平[5]。

結(jié)束語

綜上所述，礦井地測防治水的精準(zhǔn)化預(yù)測預(yù)報(bào)，決定了礦井作業(yè)能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)水害事故并治理，從而影響到開采作業(yè)人員的人身安全保護(hù)，因此要保證預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確客觀，科學(xué)選擇精準(zhǔn)化礦井地測防治水預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，降低水害的發(fā)生概率，保證礦井生產(chǎn)工作的安全推進(jìn)。由本文分析可知，礦井地測防治水預(yù)測預(yù)報(bào)精準(zhǔn)性技術(shù)類型包括：①礦井瞬變電磁法探測技術(shù)；②老空水突水預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)；③監(jiān)測采動(dòng)巖層地應(yīng)力對礦井出水預(yù)報(bào)的技術(shù)。