大同市焦煤矿公司一矿工作面防治水技术研究

魏向军

（大同市焦煤矿有限责任公司）

大同市焦煤矿公司一矿井田面积为5.461 8 km2，批准开采石炭系上统太原组2#、4#、5#、8#、9#煤层。4#、5#、8#、9#煤层均为中厚煤层，除局部区域外，基本全区可采，开采方式为综采放顶煤。矿井工业广场布置在井田东南部边界以外1 km左右的山前坡地处，场地标高为1 140.0～1 230.0 m。主运输巷道通过集中煤仓、联络斜巷与主水平联系，辅助运输、回风直接通过轨道斜巷、回风斜巷与主水平联系；水平之间主辅运输及回风通过皮带暗斜井、轨道斜井、回风暗斜井相互联系。全井田共划分5个盘区。

井田位于晋北黄土高原，大同煤田的东南部，口泉山脉西侧，总体为倾向北西的单斜山脉地形，靠近口泉山脉地形陡峻，从煤层露头向北1 000 m左右，地形变缓；井田最高点位于矿井南部的清凉山，标高1 647.6 m，最低点位于矿井东南部峪子沟沟口，标高1 232.8 m，相对高差近415 m，井口位于鹅毛口河南侧，奥陶系灰岩在井田东南部边缘有出露。井田范围外无小煤窑，为其他矿井边界及采空区；井田范围内仅在东南角由矿原劳动服务公司开办2个小窑，现均已关闭。

目前矿井防治水工作日益艰巨，亟需开展防治水技术研究，解决井下工作面水害问题［1-6］。

1 矿井地质水文情况

1.1 以往水文地质工作

（1）以往水文地质工作取得的主要成果。在鹅Ⅱ区勘探期间对区内的井泉做了水文地质调查，进行了钻孔简易水文观测。其次，对邻区的鹅36#、鹅39#、鹅61#3个水文孔（位于鹅Ⅰ区）进行了详细描述，周边水文孔布置较为合理，抽水试验质量较为可靠，通过邻区水文地质资料，基本可以了解本区内的水文地质条件。另外，通过以往水文地质工作，基本查清了矿井地表水对煤层开采的影响程度以及本矿井和相邻矿井采空区积水范围、积水量、积水位置，对今后矿井的防治水工作具有一定的指导意义。

（2）以往水文地质工作存在的不足。一矿位于鹅毛口勘探区鹅I区南部和鹅Ⅱ区中部地带，在矿界范围内共有28个钻孔，工程量为9 570.17 m。限于当时的勘探技术水平，与现行煤田地质勘查规范的要求存在一定的差距。主要问题：一是所取得的钻探资料仅有煤层资料，缺少物探测井验证资料；二是各煤层钻探资料仅有长度采取率，缺少钻孔封孔质量评价；三是所有的钻孔均无孔斜资料。

1.2 需要查明的地质水文问题

（1）矿井钻孔均为20世纪50年代所施工，钻孔无测井资料，个别钻孔如42#孔在4#煤层底终孔，6#、42#、65#、68#钻孔没有探到下部8#、9#煤层，因此，建议进行补充勘探来提高资源储量级别。

（2）矿井水文地质资料尤其是对奥灰水的水文地质勘探工作太少，无钻孔揭露奥灰岩，仅根据矿井西北部的61#孔和柴沟煤矿深水井对灰岩的水文地质条件进行了叙述。虽然近期在焦煤二矿井筒附近施工了2个水文孔，但资料仍未正式提供，应尽快查明奥灰水位标高，以便及时指导生产。

（3）由于本矿采空区范围较大，矿井内部的2个小窑封闭时间较长，需预防采空区积水涌入生产区，造成水灾。

2 矿井防治水技术

2.1 煤层底板高压灰岩水带压开采技术

针对煤层底板高压灰岩水，采用外用内防的方法，在灰岩积水层外围积极开发、取用强含水层水，使补给资源量和大部分储存资源量最大限度被开发利用而减少，降低区域奥灰水水位标高，减少向承压区补给径流的地下水水量，进一步降低承压区水压，创造对直接充水含水层疏干的水力环境，使间接充水含水层转化为直接充水含水层的范围大大缩小。在此基础上，如矿井内部再适当采取注浆封堵等预防措施，能够保证安全生产。

由于4#、5#、8#煤层实际生产中并未受奥灰水影响，说明本区奥灰水连通性及补充水源并不是很好，今后根据矿井实际情况，参考虎龙沟、塔山及区域水文资料，深入研究奥灰水补给、分布、径流、水量、排泄等规律，为今后防治水工作提供依据。

2.2 掘进巷道防治水技术

掘进巷道必须坚持“有掘必探，先探后掘，长探短掘”的原则，掘进过程中，保证留有足够的安全距离，安全距离至少为30 m。

（1）根据地质资料，做好掘进工作面水文地质预测预报工作。

（2）认真开展物探工作，利用瞬变电磁法在掘进工作面前方及两帮进行超前探测，根据物探结果，利用钻探对异常区进行及时验证。

（3）加强钻探工作。钻探工作是井下探放水最可靠、准确的方法，钻探过程中，要严格按照探放水设计进行施工，保证钻孔位置、角度、长度符合设计要求，在接近矿井边界、地质构造、小窑采空区等特殊区域时，编制专项探放水措施，并将各项制度措施落实到位。

（4）疏排水。对于已经探明的老空积水、构造导水，根据老空积水、构造导水情况以及矿井排水能力、生产现状几个方面进行整体平衡排放。

2.3 采掘工作面防治水技术

2.3.1 综合物探

对所有的掘进工作面采用瞬变电磁法进行物探，每80 m组织1次，预计共组织物探约335次；对所有的回采工作面组织坑透探测，计划探测8次。针对采掘计划范围内工作面经过的断层、陷落柱、褶曲等可能的导水构造组织专项物探，对未知水体及导水构造进行详细解释，并进行验证，达到安全掘进、回采的目的。

2.3.2 陷落柱的调查

根据地质资料显示，矿井内有X1、X2、X3共3处陷落柱，均位于305盘区内，其中，X1陷落柱位于4#层305盘区8501工作面内，该工作面已回采完毕，回采揭示情况显示，该陷落柱圈定范围仅为地质异常区，无明显的陷落柱特征。X2陷落柱位于4#层305盘区5505巷道520 m处左侧，在巷道掘进过程中已对该陷落柱圈定范围进行了探测，未发现异常。X3陷落柱位于4#层305盘区8307工作面切眼附近，未揭露，根据地质资料显示，该陷落柱为长轴105 m、短轴83 m的不规则椭圆形。

2.3.3 废弃钻孔突水防治

废弃钻孔突水防治主要有2种方法：①加强地面钻孔的巡查力度，发现封闭不良钻孔应及时注浆封闭。②当采掘活动靠近钻孔时，提前制定钻孔探测方案，探明钻孔导水情况。

2.3.4 采空区积水

根据本次调查及估算，井田内及相邻矿井4#、5#、8#煤层部分采空区存在积水。

（1）4#煤层采空积水情况。目前井田内4#煤层存在1处采空积水区，位于305盘区8503采空区内，积水量均较小，为0.29万m3。未来5 a对4#煤层开采有影响的区域主要为南部301、302盘区采空区，该区域目前积水已放空，但不排除以后生产中地表水渗入形成积水，因此，应加强井下探水孔的观测工作。相邻矿中北部柴沟煤矿4#煤层有1处采空积水，积水量5.43万m3，位于本井田的下山区段，无影响；据本次调查，位于305盘区8503、8505、8507工作面的上山区域与本井田无越界开采现象，且该积水区距离规划工作面较远，影响较小；该积水区标高低于本井田4#煤层开采标高，与本矿有柴沟煤业相隔，因此，对本井田影响小。井田内及相邻矿井4#煤层采空积水情况见表1。

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（2）5#煤层采空积水情况。井田内5#煤层存在2处采空积水区，分别位于301盘区东南部（0.079万m3）和南部（0.296 4万m3），未来5 a 5#煤层主要采掘规划范围位于303、305盘区内，因此，5#煤层采空积水区对未来5 a的开采影响小。相邻矿中西南部何家堡煤业5#煤层有3处空积水，积水量共3.09万m3，位于305盘区上山区域，积水标高高于本井田煤层开采深度，因此，对本井田305盘区的开采有一定的影响；井田内及相邻矿井5#煤层采空积水情况见表2。

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（3）8#煤层采空积水情况。井田内8#煤层存在2处采空积水区，分别位于301盘区（0.158 2万m3）、302盘区（0.208 5万m3），未来5 a不计划开采8#煤层，因此，对未来5 a的开采影响小。相邻矿中8#煤层均未开采，无采空积水区。井田内8#煤层采空积水情况见表3。

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2.4 老空区积水探测技术

2.4.1 瞬变电磁法

采用瞬变电磁法进行煤矿老空区积水探测。瞬变电磁法是通过在指定位置铺设专门的不接地回线，并通过探测仪器向地下发送脉冲电磁场，以及通过设备的探头或者提前铺设的线框，对地下矿体在激发作用下出现的实际涡流场进行观测与记录，来实现对煤矿老空区积水情况的全面勘探。主要具备以下几方面优势。

（1）瞬变电磁法对应用环境的要求较低，可以在多种地理环境或者野外进行实时地积水探测工作。

（2）瞬变电磁法在实际的煤矿老空区积水探测工作中，通常具备着探测效率较高以及探测范围较大的特点，可以有效提高煤矿老空区积水勘探工作的探测速度与工作效率。

（3）瞬变电磁法的应用成本通常较低，应用瞬变电磁法进行煤矿老空区的积水勘探工作，可以有效降低勘探工作的成本投入。

（4）瞬变电磁法通常具备显著的分辨能力与探测能力，在煤矿老空区积水探测工作中应用，可以有效提高积水探测工作的探测质量与探测准确性，保障煤矿开发与维护工作的安全性与稳定性。

2.4.2 激发极化法

采用激发极化法进行煤矿老空区积水探测。激发极化法是以地壳中岩层与矿石在激电反应方面的差异为基本依据，通过对激电场分布规律的观测与分析，勘探出煤矿老空区的实际积水情况与积水位置。主要具备以下几方面优势。

（1）应用激发极化法进行实际的勘探工作，可以捕捉到很多较小的激电异常，即使是在极化反应较微弱的条件下进行勘探工作，也可以准确地勘探出老空区实际的积水情况。

（2）在断电之后，对激电二次场的变化情况进行观察与分析，其激电异常通常更为明显。

（3）拥有较长时间对激电异常场的变化情况进行观察与分析，可以极为显著地提高煤矿老空区积水探测工作的全面性与准确性。

（4）激发极化法具备分辨率较高的特点，可以在准确提供电阻率参数的同时，全面提供相关的极化率等参数，可以从不同的角度全面分析老空区的岩体情况与积水情况［2］。

2.4.3 可控源音频大地电磁法

采用可控源音频大地电磁法进行煤矿老空区积水探测。可控源音频大地电磁法是以有限长接地电偶极子为基础场源，在距离偶极中心一定范围内对煤矿老空区的电、磁场参数进行实时观测，通过人工控制场源的方式来实现对探测频率及探测深度的控制，进而有效提高煤矿老空区积水探测工作的灵活性与可控性。此外，还可以采用直流电测深法的方式进行煤矿老空区的积水探测工作，通过逐渐增加探测点的供电电极距，加深探测深度，以及通过对探测区域电阻率变化情况的观测与分析，实现对煤矿老空区积水情况的准确探测。

3 结论

煤矿井下工作面布置复杂，针对矿井防治水工作中存在的不足，结合矿井的实际采掘计划，调查分析工作面积水情况，提出合理的防治水技术，探测人员应充分明确煤矿老空区的电磁场响应特征，并针对具体的探测特点与探测需求，积极加强瞬变电磁法、激发极化法及可控源音频大地电磁法在积水探测工作中的应用，以有效提高煤矿老空区积水探测工作的质量与效率，减少煤矿安全事故的发生。