超前预防回采工作面突水技术开发与应用

王国旺

（开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司，河北 唐山 063108）

1 概 况

范各庄矿始建于1958 年，1964 年10 月正式建成投产，井田位于河北省唐山市古冶区境内，水文地质条件为复杂型，矿井主要受陷落柱导通奥灰强含水层水害威胁。矿井北翼及井口区域多有岩溶陷落柱发育，已发现的岩溶陷落柱达14 个。范各庄历史上因陷落柱导通奥灰水造成的重大水害事故有2 次。随着矿井生产向大采深、条件复杂区域延伸，工作面安全回采受到极大威胁。针对奥灰水害的防治，需要加强水文地质补充勘探，综合利用超前物探、钻探、化探方法，结合开采过程中的中间指示层监测和奥灰快速识别等措施，实时监测采动过程中水量、水压、水温、水质等参数的变化，对可能发生突水的危险区提前进行预报，及时采取安全技术措施。

2120（4） 工作面位于范各庄矿北翼区域，该区由塔坨向斜、井口向斜和北二背斜组成，井口向斜轴部附近陷落柱发育，往往沟通各含水层而导致井下发生突水。2120（4） 工作面东部为12 号陷落柱及北二条带区，东北部为2298 高水位异常区，东南部为208 高水位异常区，水文地质条件复杂。工作面走向长度476.0 m，倾斜长度185 m，工作面标高-434.15—-474.2 m，煤层厚度1.70～3.50 m，平均煤层厚度2.32 m，煤层倾角1°～6°，平均倾角4°。主要充水含水层为12 煤层底板砂岩裂隙承压含水层。为保证安全回采，工作面采取了综合超前预防突水技术措施，引进安装了微震监测系统，监测工作面回采过程中定位裂隙时空位置，通过分析数据确定采空区侧底板在应力作用下裂隙发育深度，确保无奥灰水突水危险。

2 超前预防工作面突水技术

2.1 建立微震监测系统

2.1.1 基本原理

微震监测系统（图1） 是通过感知导水通道形成过程中的岩石破裂，精细定位处理解释以对导水通道形成过程进行监测。该技术具有实时、连续、全空间动态监测、主动扰动探测特点。通过注浆、放水等人工扰动，在含水层原有裂隙内产生劈裂、破岩、真空吸蚀、岩溶崩塌等，诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，可以确定注浆浆液扩散范围、路径及含水层储水结构形态、集中导水通道、突水口位置、工作面周边构造活化监测等，为预防煤矿突水事故及突水的快速治理、注浆工程效果评价、水资源保护提供技术依据。

2.1.2 微震动态监测系统布置

本次微震监测项目共计布置单轴检波器12 个，校正炮6 个，分站2 个。检波器采用包围式方式布置，检波器均埋置在钻孔中，检波器间距100～130 m。2120 回风巷1～5 号检波器及工作面风道6号检波器接1 号采集分站，进行永久监测；工作面风运道7～12 号检波器接2 号采集分站。2120（4）工作面微震监测孔分布如图1 所示。

图1 2120（4） 工作面微震监测孔分布Fig.1 Distribution of micro-seismic monitoring holes in 2120(4)working face

2.1.3 回采过程中微震动态监测系统观测要求和观测结果

微震系统观测要求由河北煤科院向范各庄矿发送微震监测日报、月报，遇异常情况发临时预报，并由河北煤科院根据当前微震监测结果，给出采面回采建议，指导日常生产。

根据微震系统每日观测结果分析，微震事件集中在12 煤顶板以及12 煤和14 煤之间，少量分布在14 煤和K3 之间，微量分布在K3 和奥灰顶之间，并在8 月5 日监测到唐山古冶区地震事件，未监测到奥灰以下微震事件，说明2120（4） 工作面回采未造成12 号陷落柱活化，未发现异常区域，保障了工作面安全回采。

2.2 施工底板长期观测孔

2.2.1 钻孔层位选择

为了了解奥灰水和煤系地层的补给关系，防治奥灰水直接突入矿井，必须探查了解奥灰含水层情况。但地面打孔深度大、费用高，施工难度大；井下施工奥灰孔，遇上高压奥灰水有淹井的风险。

通过综合分析发现，奥灰水对上部的煤系地层中的主要含水层（12 煤底板含水层和k3 含水层）在水位、水温、水电阻率、水同位素等方面均有显著影响，所以可以利用这些含水层作为中间指示层，为探测和确定导水构造位置和导水性提供依据。因此，经过分析研究，将12-14 煤含水层及14 煤-K3 灰岩含水层作为指示层，钻孔打至指示层内即可间接判断工作面底板范围内隐伏导水构造发育情况。

2.2.2 施工钻孔

2120（4） 工作面共施工2 个底板 K3 含水层长期水文观测孔，其中探1 孔终孔水量0.2 m3/min，压力3.36 MPa，水质化验结果无硝酸根，属于K3含水层水，探2 孔终孔无水，见表1。

表1 实际钻孔技术参数Table 1 Actual drilling technical parameters

2.2.3 回采过程中观测要求及观测结果

二水平大巷探1 孔作为唯一保留的K3 含水层底板探查钻孔，回采过程中其水质、水温、水量、水压的变化情况，能够直观且准确的反应回采过程中该区域水文地质条件的变化情况，对底板水害起到提前预警的作用。在回采过程中，打开该孔疏降2120 （4） 工作面 （图 2） 区域 K3 含水层水位，每周对该孔的水质、水温、水量、水压观测一次。水压观测以钻孔瓦路关闭20 min 后观测的水压作为标准比对水压，方便分析水位变化趋势。

图2 2120（4） 工作面观测K3 含水层钻孔平面图Fig.2 Borehole plan for K3 aquifer observation in 2120(4)working face

回采前打开钻孔，水量0.18 m3/min，压力3.03 MPa，水温19℃，水质化验无硝酸根。通过每周观测结果对比，回采过程中水量、水压、水温和水质与采前观测结果一致，说明回采过程中底板裂隙未导通奥灰含水层。

2.3 利用矿井水文自动监测系统

2.3.1 基本原理

矿井水文自动监测系统是利用传感器技术、光纤传输技术，采集地下水的水温、水文、水压、明渠流量等信息，利用无线传输技术采集水文观测孔的水温、水位、水压信息，并将采集到的数据传输到地面计算机，进行处理分析，为煤矿安全生产提供预警机制。该系统集水文数据采集、数据处理、数据网络共享、水害预警、辅助决策于一体，采用现代化监测手段对地下水的各种参数进行监测，及时掌握水文动态，达到对水害事故早发现、早预报、早防治的目的。

2.3.2 矿井水文观测孔自动监测系统布置情况

地面观测钻孔7 个，分别是O14 孔、O3 孔、O6 孔、J17 孔、冲14 孔、冲17 孔、彭17 孔。其中，奥灰监测孔4 个，分别是O14 孔、O3 孔、O6孔、彭17 孔，均处于完好状态；冲积层监测孔2个，分别为冲14 孔、冲17 孔，均处于完好状态；12 煤底板含水层监测孔1 个，为J17 孔。

井下观测钻孔7 个，分别是2-17 孔、K下3孔、304-2 孔、J下7 孔、K下32 孔、探 8 孔、K下33 孔。其中，12 煤底板监测孔4 个，分别为2-17 孔、304-2 孔、J下7 孔、探 8 孔；唐山灰岩监测孔 3 个，分别为 K下3 孔、K下32、K下33 孔。

2.3.3 回采过程中观测要求及观测结果

2120（4） 工作面区域主要水文观测孔为地面奥灰水位观测孔O14 孔，井下观测K3 含水层水压2-17 孔和K下3 孔。回采期间要求每日进行观测，对比数据，发现异常变化及时汇报。

观测结果为地面014 孔水位在±2m 范围内升降，属于正常范围，井下2-17 孔压力为2.28 MPa，K下3 孔压力为2.91 MPa，采前、采中、采后压力保持不变。说明2120（4） 工作面回采过程中未有异常情况发生。

2.4 其他监测技术方法及要求

2120（4） 工作面区域有涌水点存在，2120（3） 采空区涌水量能够直观反应2120（4） 工作面回采对该区域水文地质条件的影响，起到预警作用。208 皮带巷作为距离12 号陷落柱最近的巷道，其涌水变化情况能够反映采动对12 号陷落柱的影响，同样起到提前预警作用。2120（4） 工作面采中涌水变化情况能够直观反映该区域水文地质条件变化情况。因此要求井下各巡查地点每周至少调查一次，观测涌水点水量、水温、水质变化情况，对比数据。

通过日常巡查，对比采前、采中、采后数据，2120（3） 观测点水文情况无变化，水量0.03 m3/min，水温21℃，水质化验无硝酸根；208 皮带巷出水点水文情况无变化，水量0.02 m3/min，水温20℃，水质化验无硝酸根；2120（4） 工作面回采过程中采空区侧出水，水量0.03 m3/min，水温19℃，水质化验无硝酸根，之后观测数据无变化，属于12 煤底板含水层水质。说明2120（4）工作面回采未造成该区域水文地质条件变化，未造成突水。

3 结 语

通过引进微震监测系统、施工工作面底板K3含水层“指示层”观测孔、利用现有矿井水文自动监测系统、观测工作面区域涌水点水文变化情况等超前预防回采工作面突水技术，保证了范各庄矿2120（4） 工作面安全回采，解放了地质储量，未监测到12 号陷落柱活化，工作面回采未造成裂隙导通隐伏导水构造，为以后同类工作面安全回采提供了经验和指导。