老空水综合探查预防技术研究

张本军,段晓平,尹尚先

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2.中煤集团山西华昱能源有限公司，山西 山阴 036900)



老空水综合探查预防技术研究

张本军1,2,段晓平1,2,尹尚先1,2

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601；2.中煤集团山西华昱能源有限公司，山西 山阴 036900)

查明老空区分布并采取有针对性的措施是预防老空水事故的根本所在。提出了老空水调查的基本程序和内容，主要包括资料收集分析、调查与踏勘、可疑采空区及重点区域测绘圈定、地球物理探测方法选择与勘查、钻探探测及结果验证、分析总结；总结了老空水成灾的主要五类原因，相应提出了预防老空水事故的技术主要集中在“探”和“放”，避免老空积水成灾的主要措施是“查明、探清、放净、管控”。

老空水；探查；预防；技术措施

我国煤炭开采历史长，留下了大量小窑老空区，且其分布不规则，一些关闭的小煤矿没有留下任何水文地质资料，即使有其资料也与井下实际不符，开采边界、分布范围、积水空间不清楚，容易引发突水事故[1]。采空区特别是老空分布具有隐蔽性、不规则等特点，探测困难，导致的透水水量大、来势猛、具很强的破坏性，并多伴有有害气体的涌出，防治难度极大。据统计，近年来老空区透水占全国煤矿水灾总数的70%以上[2]。

大量案例分析表明，老空透水事故的主要原因是老空区空间位置未查清，盲目掘进造成的[3]。因此，查明老空区分布并采取有针对性的措施是预防老空水事故的根本所在。

图1 2008～2014年水害事故的涌水来源统计

1 老空区调查技术

老空区探查的一般程序主要包括资料收集分析、调查与踏勘、可疑采空区及重点区域测绘圈定、地球物理探测方法选择与勘查、钻探探测及结果验证、分析总结[4](图2)。

图2 老空区调查程序及内容

(1) 走访调查实地踏勘

通过走访附近村民、原矿井老职工和原管理技术人员，广泛收集图纸及口述资料，圈定实际调查范围；通过实地踏勘，调查了解地面坍陷、积水区、井口等具体情况，进一步了解采空区分布范围，有条件的地方，应组织技术人员和救护队员一起下井勘探调查，基本确定井田内外各小煤矿整合前的采掘活动范围和积水区域，为下一步采用测绘、物探、钻探等方法手段提供靶区。

(2) 井田工程地质测绘

工程地质测绘工作是老空区勘察的基础，对于老空区的探测，起到举足轻重的作用。地质测绘的目的是为了探测工作区内老水的分布位置，通过地质调查、采矿情况调查、地表变形观测及现场调查工作，确定物探、钻探探测范围及探测工作量，为探测方案的选择提供依据。本阶段成果应能够初步建立老空所在区域的三维地质结构模型。

(3) 物探综合探测技术

依据国内外不同方法敏感性参数分析与比对、探测效果及实用性综合分析资料，建立以电法、地震法为基础的老空水综合地球物理勘探技术体系。

在探测深度方面，适合于浅层采空区探测(探测深度小于300 m)的方法有：地质雷达、可控源浅层地震、高密度电法、瞬变电磁法；适合中等深度采空区探测(探测深度小于600 m)方法有：瞬变电磁法、大地电磁法、三维地震；适合大深度采空区探测(探测深度小于1000 m)的方法有：大地电磁法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、三维地震。在探测精度和分辨率方面，地质雷达和地震类方法(特别是三维地震)较电磁类方法探测精度和分辨率要高，在采空区较小(如废弃巷道、房柱式采空区)、对探测精度要求较高的情况下，宜采用地震类方法。在对充水采空区探测方面，宜采用对低阻灵敏的电法和电磁类方法；如采空区不充水，宜采用对高阻或构造敏感的高密度电法、地质雷达和地震类方法。在玄武岩覆盖地区、基岩大面积出露区等高阻屏蔽区域和地形起伏较大区域，适宜采用瞬变电磁法、大地电磁、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等进行探测。在受工业用电影响较大区域，宜采用地震类方法进行探测[9]。

单一的地球物理探测方法均存在一定的缺陷，特别是对于地形地质条件复杂、干扰源多、探测精度要求高的区域，单一方法的探测难以满足保障安全生产的要求， 应采用两种或两种以上的方法进行综合探测[8]。针对各方法的特点，提出了不同条件下采空区综合探测的优化组合方案(表1，表2)。

表1 地面探测方法优化组合

深度(m)方法选择适用条件0～150 地质雷达+高密度 探测深度不大，探测精度要求较高，地形起伏较小，高阻屏蔽和高压输电线影响较小区域 可控源浅层地震+高密度 地形起伏较小，探测精度要求高，地面导体分布较多，高压线分布区域 瞬变电磁或MT 地形起伏较大，探测精度要求较低，受工业用电影响较小区域150～300 瞬变电磁+高密度 地形起伏不大，采空区充水性未知，干扰因素较多，探测精度要求较高 瞬变电磁+MT 地形起伏较大，探测精度要求较低，受工业用电影响较小区域300～600 三维地震 采空区未充水，探测精度要求高，地形起伏较小 瞬变电磁(或MT)+三维地震 采空区充水性未知，受微震和工业用电影响较大，探测精度要求高 瞬变电磁+MT 采空区充水性未知，探测精度要求较低，地形起伏较大600～1000 三维地震 采空区未充水，探测精度要求较高，地形起伏较小 MT(或CSAMT)+三维地震 采空区充水性不确定，探测精度要求较高 MT或CSAMT 采空区充水，探测精度要求较低，地形起伏较大

表2 井下探测方法优化组合

探测距离(m)方法选择适用条件0～100 地质雷达+瞬变电磁 掘进面超前探测(或工作面顶板及巷道侧帮探测)，采空区含水，探测精度要求高 瞬变电磁+直流三极法 掘进面超前探测，采空区含水性不确定，铁器和工业用电干扰较多，探测精度要求较高 瞬变电磁+反射波 掘进面超前探测(或工作面顶板及巷道侧帮探测)，采空区含水性不确定，铁器和工业用电干扰较多，探测精度要求高 瞬变电磁+高密度 工作面顶板及巷道侧帮探测，采空区含水性不确定，铁器和工业用电干扰较多，探测精度要求较高

(4) 钻探技术

用于煤矿水害防治的钻探技术包括井下和地面两种类型，使用的钻探技术有常规回转钻进和定向钻进技术。近年来取得较大进展的地面径向射流造孔技术、钻探技术有精确定位与造斜分支钻探技术、井下长距离近水平定向钻探技术、地面大口径定向钻探技术等。定向钻进技术以先进的随钻测控技术为依托，可对钻孔轨迹进行实时测量和精确控制，使钻孔在目的层位延伸或精确中靶[9]。

2 老空水综合防治技术

在防治操作层面，老空水形成灾害的主要技术不当行为包括：未探测；设计不合理；未探明或未合理设防；未探、放水或者探、放水操作不当；放水不充分；管理不到位[1]。

图3 老空区积水导致事故的主要技术不当类型

(1) 上述事故原因分析说明，预防老空水事故的技术主要集中在“探”和“放”，避免老空积水成灾的主要措施是“查明、探清、放净、管控”[12]。

① 老空区的位置未查明，井下探水‘三线’划不出来，探水方向不清重点不明，探水工作量大但效果差，很容易导致事故；

② 地面的“查明”不等于所有细节都完全清楚，因此采掘过程中应通过超前探水来“探清”积水区的范围、标高、积水量等具体指标，未进行探水或探水技术措施不当，也容易造成事故；

③ “查明”和“探清”还不能确保万事大吉，放水不干净，少量残留水足以导致人员伤亡，类似教训极为深刻，“放净”是硬道理；

④ 前面的环节都做到了，但“管控”失误，如水害发生的征兆识别错误，职工培训等管理措施不到位，或者处置不当，控制措施跟进不到位，仍然会出现事故造成人员伤亡。

(2) 针对上述原因，提出以下对策措施[7]：

① 老窑老空水害防治的基本对策：探明积水区的空间范围、标高、积水量，判断其与设计开采区层间距或同一层位的上下标高差的空间关系，在留设一定的防隔水煤柱的条件下，放净积水。

② 因地制宜，提出科学合理及确保安全的探水、放水设计。

③ 根据矿井现场实际情况，制定探放老窑老空水的方案和安全技术措施。

④ 在地面，对地表裂缝进行调查，并组织人力、物力进行全面系统充填，确保雨季时矿井不受地表水特别是洪水威胁；在井下，采用循序渐进的方式先难后易进行放水，绝不留死角，做到彻底干净，在探水、放水过程中配套措施一定要全面到位。

3 结论

(1) 老空水调查的基本程序和内容：通过资料收集、走访调查与踏勘来获得采空区的初步概略资料，进行重要建(构)筑物、地面塌陷、地裂缝等采矿对地表影响的调查，圈定可能存在采空区的区域，确定勘查区域，根据勘查目的、地表地形、地质和物性条件选择合适的物探方法；采用物探勘查手段对勘查区进行探测，获得较为准确的采空区的分布范围、充水及垮落等情况；通过地面钻探勘查手段来验证物探结果、修正物探成果[6]。

(2) 分析表明，老空水形成灾害的主要技术不当行为包括：未探测；设计不合理；未探明或未合理设防；未探、放水或者探、放水操作不当；放水不充分；管理不到位。老空水的防治应针对上述不当行为类型实施综合预防，预防老空水事故的技术主要集中在“探”和“放”，避免老空积水成灾的主要措施是“查明、探清、放净、管控”。

[1] 郑世书，陈江中，刘汉湖,等. 专门水文地质学[M].江苏：中国矿业大学出版社，1999.

[2] 虎维岳，王广才．煤矿水害防治技术的现状及发展趋势[J]．煤田地质与勘探， 1997， 25(S0)：17-23．

[3] 尹尚先.华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[4] 虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京：北京煤炭工业出版社，2005.

[5] 沈冰，黄红虎. 水文学原理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[6] 王秀兰，刘忠席. 矿山水文地质[M]. 北京：煤炭工业出版社，2007.

[7] 章至洁，韩宝平，张月华. 水文地质学基础[M].江苏：中国矿业大学出版社，1995.

[8] 汪李全，徐金海，屠世浩,等. 矿业工程概论[M]. 江苏：中国矿业大学出版社，2004.

[9] 胡海峰.煤矿测量[M]. 江苏：中国矿业大学出版社，2010.

[10] 李巨龙，杨伟峰，于宗仁. 岩土钻掘工程学[M]. 江苏：中国矿业大学出版社，2005.

[11] 舒良树.普通地质学[M]. 北京：北京地质出版社，2011.

[12] 王国际，黄小广，高新春，等. 矿井水灾防治[M]. 江苏：中国矿业大学出版社，2008.

Research on the Comprehensive Exploration Prevention Technology of Goafwater

ZHANG Ben-jun1,2, DUAN Xiao-ping1,2, YIN Shang-xian1,2

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China;2.ChinaCoalGroupShanxiHuayuEnergyCO.LTD.,Shanyin, 036900,China)

Finding out the goafwater distribution and taking pertinent measures is the basic of preventing goafwater accidents.Basic procedures and contents of goafwater surveys are proposed,which mainly includes data collection and analysis, investigation and reconnaissance, mapping and delineation of suspected goaf and key area, selection and exploration of geophysical prospecting techniques, drilling detection and results verification, analyzing and summarizing; five main causes of goafwater disaster are summarized,and it is accordingly put forward that the techniques of preventing goafwater disaters is mainly concentrated on ‘exploration’ and ‘emission’, the main measures of preventing goafwater disaster are ‘correctly ascertainment, clearly exploration, clean emission, management and control’.

goafwater; exploration; prevention; technical measure

2016-02-06

国家自然科学基金(51074075，41072188)，‘十二五’国家科技支撑计划项目(2012BAK04B04)，中央高校基本科研业务费资助(3142015019)

张本军(1963-)，男，山西大同人，硕士，中煤集团山西华昱能源有限公司生产技术管理部地测防治水处处长，研究方向：煤矿地测防治水。E-mail: 2240542792 @qq.com

TD745

A

1672-7169(2016)02-0010-05