煤矿采空积水综合防治技术研究

张中华

煤矿采空积水综合防治技术研究

张中华

针对我国煤炭生产中防治水存在的问题，探索直通式探放水研究理论并实施，就大同煤田地质水文条件来讲，该法推广具有广泛的实用性。

煤矿开采；采空区积水；直通式探放水

0 概况

大同煤田由于其开采历史久远，在煤田范围内存在着大量的古窑、小煤矿。这些小窑大都分布在侏罗系2、5、7、8、11、14号煤层。大同煤田侏罗系煤层埋藏较浅，且各煤层采空区之间纵横交错，非常复杂。在采空区的低洼处易集积一些积水，积水量大小不一，少的有几千m3，多的可达到数万、数十万m3。再加上大同矿区煤层顶板坚硬、性脆，易形成大面积的塌顶，因顶板冒落而形成采后裂隙，此时又扩大了原有的采动裂隙，并形成直达地面的裂缝和塌陷。充水水源通过裂隙、裂缝等通道进入矿井和煤层采空区，形成矿井采空区积水。由于采空区积水的存在，给煤矿的安全生产带来巨大的潜在威胁，如果对积水区的水量、区域等资料调查不清，不能采取有效的预防手段，将会造成严重的水患事故发生。

近年来，随着大同煤田范围内小煤矿的关闭，在生产矿井范围内了出现了由于废弃矿井而产生的新的积水源及导水通道。对废弃矿井在关闭过程中缺乏切实可行的水害监测及防范措施，对可能诱发的矿井水文地质条件的变化缺少理论研究与分析，对废弃矿井相关工程和技术资料不能进行有效的系统整理与管理，不能注重废弃矿井突水条件的研究及防范技术措施准备工作，极可能引发灾难性的突水事故。同时，大同煤田部分矿井因侏罗系资源枯竭而向石炭系延伸，在采掘过程中，由于煤层间距过大，无法从石炭系煤层向侏罗系采空区实施井下探放水，上覆采空积水探测、施放成为急需解决的难题。本文研究的意义即着力解决上述问题，并以大同煤矿集团白洞矿为例，对本文形成的采空区积水探放技术理论在生产实践中予以优化、改进。

1 老空积水区的确定方法

1.1 资料调查分析法

在分析、预测采掘工作面可能遇到的采空积水问题时，要结合上部煤层开采的实际水文地质资料，分析研究工作面水文地质情况，从而更准确地了解现采掘区域的情况，当发现有突水隐患时，有针对性地提出预测及防治方法。在采掘上下2个煤层时，详细记录上层煤开采工作面的水文地质情况并填绘到矿井充水性图上，这样，在采掘下部煤层时能够参照并分析水文地质特征，根据分析所得到的结果及时地预测、预报，采取井下或者地面探放方法消除积水隐患。在实践中，煤层采空区的低洼处易形成老空区积水，可利用煤层底板等高线图，探放上层煤的积水区，消除开采下层煤时的突水隐患。

1.2 物探法

利用现有的物探手段，主要有瞬变电磁法（TEM）、直流激电测深、高密度电法勘探等，针对物探异常区初步预测积水区位置、边界、积水量。对老空水探测，还有地质雷达、三维地震、电阻率法等探测方法。

①上部采空区有积水的情况下，利用地质雷达方法探测出下部采空区采动裂隙带的范围，从而设计出合理的保护煤柱宽度，预防下部工作面突水的发生。

②利用三维地震方法解释老窑采空区，一方面是从己知资料出发，在反射波对比的基础上，选择显著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相轴的消失、扭曲、突变等异常现象，最后圈定出老窑采空区。

③为了探查出矿区地下水地质体的分布及其导含水条件，可以采用地磁探测技术观察地下地质体中的电性分布规律。阳泉矿区采用频率测深 (CSMT)技术和瞬变电磁场 (TEM)勘探技术对采空区的积水边界进行了探测；神华集团活鸡兔矿利用自动电阻率法成功探测出12205工作面采空区溃沙溃水通道；河北金牛能源公司东庞矿采用直流电探测技术探测某个工作面积水小煤窑采空区。

三维地震和瞬变电磁场能够确定采空区的积水边界。另外，煤层及采空区等地质条件探测一般应用三维地震探测技术，而采空区和煤层上下地层积水范围的探测应用电磁探测技术。

1.3 钻探法

钻探技术，作为最基础的采空积水区探查手段，曾经受到了极大地限制，但最近十几年来，国内外钻探技术有了很大的发展，发展出适用于各种工作场合的钻机。因此，应用钻探技术，不管在地面用钻机还是井下坑道钻机，均可实现“随钻测斜，自动纠偏”。近年来水平钻机的出现，又填补了钻探方面的一个缺陷，增加了探放水的手段，钻探技术已经满足对老空积水区探查的要求。

1.4 化探法

地球化学勘探的方法是通过系统测量天然物质的地球化学性质，发现各种类型的地球化学异常的一种调查方法。现有的各种地球化学勘查方法主要是根据采样对象来划分的。如岩石地球化学测量、土壤地球化学测量、水地球化学测量、水系沉积物地球化学测量、湖积物地球化学测量、气体地球化学测量和生物地球化学勘查等。各种测量方法又因地质地理条件不同及选用的具体采样物质不同而发展成若干方法的变种。

在煤矿采空区积水区探查中，主要是通过水质化验、示踪试验等，利用不同积水区、不同时间、不同含水层的水质差异，确定突水水源，评价含水层水文地质条件，确定各含水层之间的水力联系。主要的技术方法包括：水化学快速检测技术；透水水源快速识别技术；连通试验。

1.5 水文地质条件写实分析法

井巷地质、水文地质条件分析主要是对井下已揭露的地质与水文地质现象进行观察、测量、统计计算等分析研究，从而达到了解、掌握矿井水文地质条件的目的。常用的井巷地质、水文地质条件写实分析技术方法有：井巷地质现象与水文地质现象描述；井巷地质现象与水文地质现象摄影；矿井地质构造与裂隙测量、地质统计与地质作图。

用井巷地质、水文地质条件分析方法，往往可以直接确定老空积水的范围，积水高度，然后计算积水量。比如同煤集团白洞煤业公司井田14号层东303、东402老空积水区有明确的出水点标高，又可以在采掘工程平面图通过等高线划定积水范围，方法简单、快速、准确。

2 老空积水排放技术

老空区积水（采空区、老窑和已经报废的井巷积水）积存于生产、开拓水平以上，水量集中，一旦揭露，来势凶猛，突然溃出，具有很大的冲击力及破坏力，是煤矿主要水患之一。但是老空积水一旦查明以后，往往易于防治。对于生产矿井本身的老空区、旧巷道积水，应认真核实图纸资料，查明积水区的水量、最低点、最高点，然后制定探放水措施或方案进行探放水。

2.1 掘进期间的排放

在巷道掘进时可以同时进行探放水，一种是探同层的老空区积水，一种是探上层的老空区积水。在老空积水区下部煤层掘进、回采前，须排放尽上层的积水。一般的做法是边掘边放，放一段掘一段。掘进期间制定探放水措施。根据过去的经验，将调查和勘探（包括物探）获得的小窑、老空的资料，经过分析确定“3条界线”，即积水线、探水线、警界（戒）线，然后进行探放水。

探放水的方法简单易行，直接用专用探水钻机向前（或上部）积水区打钻孔。放水钻孔的终孔直径一般不超过73 mm。

在探放上层积水时，钻孔的倾角一般在40°～70°之间，钻孔的深度约在70 m以内。最近几年，有矿井用TUX-150型钻机打孔，深度（斜深） 可达到130 m。在钻孔孔口处安装孔口管，固定阀门，控制放水，水压一般在0.5 MPa以下，既便于操作，又安全可靠。

掘进期间的探水钻孔布置见图1。

2.2 地面施工放水钻孔

从地面布置钻孔，穿过积水区与下部开采煤层的巷道贯通放水——直通式放水法。

原来一提到探放水，首先想到的就是在下部煤层的掘进巷道中向上部的积水区施工放水钻孔，层间距一般不会超过50 m，斜向上打孔，孔深也就在70 m以内，钻机用TUX-75或TUX-150就可以了。但有时无法用上述方法。比如：白洞石炭纪C5煤层与侏罗系的14号煤层间距在230 m～240 m，通过市场调研得知，目前还没有能斜向上、垂直向上钻进这么深的钻机；二是即使能钻进这么深，但是到钻孔打通的时候，孔口水压在2.3 MPa～2.5 MPa，人员无法在孔口处工作；三是C5煤层巷道沿底掘进，顶部全是煤，孔口管、防喷装置固定难度大。

2.3地面打井抽水

当有以下情况时，可考虑在地面打井抽水：

①有的时候老空积水区周围没有巷道及其他空间，井下从本层无法放水。

②当积水区下方（或叫下部煤层中）没有掘进巷道时，地面无法施工放水钻孔到下部煤层的巷道，达不到放水的目的。

③当积水区下方（或叫下部煤层中）巷道掘出后或掘进期间，施工地面放水钻孔，而时间赶不上时。也就是说，可以打放水钻孔，但没有放水时间，在工作面开采前放不完水的情况下。

同煤集团四台沟矿曾经用抽水的方法排放古塘积水。这类钻孔的孔径比较大，约在0.40 m～0.50 m左右，潜水泵与排水管连接，从孔口一直下到积水区以下。

地面施工这种抽水钻孔，钻孔成本比较高，排水成本相对也高；同时还受多种因素限制，比如地面无法设排水沟，取电远等问题。

3 综合治理

本着经济、高效、安全的原则，根据地面、井下全方位隐患排查结果，结合积水区的特征、地面地形、井下采掘系统的实际情况，认真分析资料，反复对比各种方案的利弊（包括工程量、工程时间、工程费用）制定科学合理的探放水方案。不要只限于一种方法，要结合实际，多种手段综合利用。

4 结论

通过地面、井下物探、钻探结合的手段查清水患，施工地面、井下钻孔排放采空积水，在大同矿区取得了良好的经济效益和社会效益，适合大同煤田矿井今后的防治水工作，具有推广价值。

本文以大同白洞矿老空水为研究对象，重点研究老空水的防治技术，以及老空水排水方案的制订。通过研究得出如下结论:

①对不同煤系中老空区积水探放进行了优化设计，完善和改进了采空区探放水方案、钻探工艺、放水钻孔结构、放水套管的结构等技术问题；

②直通式放水法在同煤集团白洞矿应用取得了一定的安全效果和经济效益，对同煤集团的其他矿井（包括其他双系煤田的矿井）今后在开采下部煤系时的探放水技术有了新的理论基础和指导思想，具有很好的经济效益和社会效益。

5 创新点

针对大同矿区采空积水特点，将数字化地质资料，综合物探技术，地面、井下多方面的立体探放水技术综合应用于探放水工作，有效地排查出采空积水的位置和深度，并对积水进行探放，保证了矿井安全生产，特别是直通式钻孔近几年在石炭系开采期间的探放水对安全生产起到了十分重要的作用。

煤矿安全工作中，每年都要投入大量的资金、人力、物力，防治水方面也是如此，但是仍然有透水事故发生。这里的原因很多，其中包括业务、技术方面的因素，探放水手段、施工场地等的因素。近几年有些矿在防治工作中，因为无法施工探放水钻孔，又认为积水量不大，就马马乎乎开采了，结果导致工作面发生透水，虽未发生死、伤人事故，但还是淹了工作面，影响了生产。

本次探索、研究侏罗系积水探放方案，对白洞煤业公司今后采矿具有重要的意义，特别是对今后同煤集团其他矿井在开采石炭系煤层时防治水、水患排查方面更具有指导意义，防止上层积水在采煤过程中造成的突水事故，杜绝水患，实现安全生产。

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Study on Integrated Control Technology of Coal Goaf Seeper

Zhang Zhonghua

according to the control of water problems in the domestic coal production,straight-through-water exploration is explored and used.This method is practical within the geological and hydrological conditions of Datong coalfield.

coal mining；goaf seeper；straight-through-water exploration

TD745

A

1000-4866（2012）02-0017-04

张忠华，男，1963年2月出生，1985年9月毕业于大同煤矿职工大学（地质专业），现在大同煤矿集团公司忻州窑矿工作，助理工程师。

2012－03－13

2012－03－27