特厚煤层区域开采防范洪水灌井老窑的探测方案研究

王长征

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁033602）

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿23109材料巷位于太原组13号煤层21采区北翼中东部，掘进方位0°0′0″，沿太原组13号煤层底板掘进，巷道掘进方向东侧有马圐圙煤矿（开采13号煤层，2007年7月22日淹井后关闭）、原斜沟煤矿旧矿（开采13号煤），受两关闭煤矿影响段长1 042 m，设计巷道距根据物探异常划定的积水线最近72 m，所在区域整体为一走向近南北，倾向西的单斜构造，煤层倾角平均9.6°，平均煤厚14.86 m。为提高煤炭资源采出率，避免马圐圙煤矿和斜沟旧井西侧13号煤层滞留于采空区封闭圈内造成资源损失，保证矿井采掘衔接顺利进行和23109工作面设计方案提早确定，消除马圐圙煤矿和斜沟旧井老空积水对23109材料巷掘进和后期23109工作面回采的影响，经过调查老空区采掘情况、洪水灌井的事故经过及形成机理、各类报告的叙述、气象水文资料等，结合该区域以往勘查成果综合分析推断洪水灌井老窑的现积水情况，研究制定切实可行探测方案以保矿井安全生产不受水患影响，供大型煤矿在防范周边洪水灌井老窑方面借鉴。

1 马圐圙煤矿及斜沟旧矿概况

马圐圙煤矿位于斜沟井田中东部与之相邻，批准开采13号煤层，生产规模6万t/a，井田面积0.559 4 km2。于2007年7月23日淹井后关闭，约有450万m2地表洪水灌入邻矿原马圐圙煤矿，2013年4-5月，由山西山地物探技术有限公司对21采区东部马圐圙一带进行了瞬变电磁法和测氡法勘探，划定了采空异常区域。斜沟旧矿位于井田东部，2003年3月协议转让给山西西山晋兴能源有限责任公司，沿用原副平硐对8号煤层进行了开采，原13号煤层主斜井废弃，根据兴县国土资源局曾提供的斜沟旧矿13号煤层采掘工程平面（比例尺1∶2000），由于图面缺失内容较多，资料可信程度不高，严重影响矿井生产。23109材料巷位于两关闭煤矿倾向下山西侧，受两老窑影响段长1 042 m，设计巷道距根据物探异常划定的积水线最近72 m。其位置关系如图1所示。

图1 斜沟煤矿23109材料巷位置关系示意图

2 探测方案

本次探测工作使用物探和钻探两种探测方法，钻探使用两种不同的钻探设备及工艺。物探采用中煤科工集团重庆研究院YCS1024矿用本安型瞬变电磁仪及配套数据解释处理软件，钻探使用中煤科工集团西安研究院生产的ZDY-1300矿用液压钻机和威利朗沃公司生产的ZYL-2300D型千米定向钻机。总体采用安全范围圈定，异常范围探测验证，随着探测成果分析逐步补充的方法进行。

2.1 物探设计方案

23109材料巷掘进进入马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线起至掘进到位1 104 m（初步设计）段在掘进方向顺煤层物探，物探前行于同步的钻探；23109材料巷掘进进入马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线起132 m至掘进到位1 104 m（初步设计）段在掘进方向物探的同时在垂直于巷道的倾向上山顺煤层进行物探（见表1）。

表1 物探工作量

2.2 ZYL-2300D型千米定向钻机探测方案

23109材料巷掘进进入马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线起132 m、580 m处施工千米定向钻机钻场，使用ZYL-2300D型千米定向钻机在23109工作面受马圐圙煤矿及斜沟旧井老空水影响的防隔水煤柱宽度外侧5 m煤层厚度范围内布置纵向错位钻孔间距1.5 m的探测钻孔3组9孔，如图2所示，以保障设计的23109工作面回采范围不受老空水害影响及现设计在水害防治安全角度的合理性；硐室内在巷道掘进方向煤层厚度范围内布置纵向钻孔间距5 m的探测钻孔1组2孔，如图3所示，以查明巷道掘进前方老空水害的大致情况供巷道设计、探测方案预先变更提供依据和补充后续ZDY-1300矿用液压钻机探测范围的上覆煤层。

图2 防隔水煤柱宽度外侧5 m煤层厚度范围内纵向错位钻孔间距1.5 m探测工程布置平面图

图3 巷道掘进方向煤层厚度范围内布置纵向钻孔间距5 m的探测钻孔探测工程布置平面图

2.3 ZDY-1300矿用液压钻机探测方案

马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线至探水线段（642 m）使用ZDY-1300矿用液压钻机布置8个探测钻孔，煤层赋存方向布置5个孔，垂直方向的前进方向布置3个孔，3个垂直方向钻孔探至煤层顶板，钻探深度60~65 m，随巷道向前掘进而进行，如图4所示；23109材料巷进入马圐圙煤矿物探成果划定的探水线内以内区域（462 m），使用ZDY-1300矿用液压钻机，按照探放老空水管理工作要求设计钻孔，在终孔位置处横向钻孔间距3 m，纵向钻孔间距1.5 m，钻探深度60~65 m，共计17组51个钻孔，如图5所示；马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线往北140~280 m段每隔10 m施工一组方位90°排钻，纵向间距3.7 m，3个孔，孔深100 m钻孔，共计15组45个钻孔，如图6所示；在23109材料巷到位处迎头上帮施工一组方位48°纵向呈扇形,纵向间距1.5 m，孔深100 m钻孔，共计1组9个钻孔，如图7所示；钻探工作量见下页表2。

图6 马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线往北140~280 m段探测工程布置平面图

图7 马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线往北140~280 m段探测工程布置平面图

3 方案解析

洪水灌井的马圐圙煤矿老空积水量大，疏放水所需时间过长而影响采掘衔接正常进行，且疏放出的老空水加速排水设备的腐蚀，排至地面的老空水给地面污水处理厂带带很大压力，该探测方案本着尽量避免打通老空积水区的同时保证工作面的安全掘进与回采。根据预计马圐圙煤矿和斜沟旧井老空积水最高标高+965 m，将积水线视作水淹区域的界线，按《煤矿防治水细则》水淹区域下采掘时防隔水煤（岩）柱的留设参照经验计算公式：

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数（一般取2～5）；M为煤层厚度或者采高，m；P为实际水头值，MPa；Kp为煤的抗张强度，MPa。

令K=5，M=14.86，P=0.85，Kp=0.8，计算得：L=66.3 m。

表2 钻探工作量

使用ZYL-2300D型千米定向钻机在23109工作面受马圐圙煤矿及斜沟旧井老空水影响的防隔水煤柱宽度外侧5 m煤层厚度范围内布置纵向错位钻孔间距1.5 m的探测钻孔3组9孔，这种布置方案实现了远距离近间距钻孔在确保勘查精度的同时不会造成穿孔而报废的现象，预先查明防隔水煤柱宽度边界的老空及老空水赋存情况，为后期工作面回采的影响范围均已探查清楚；在巷道掘进方向煤层厚度范围内布置纵向钻孔间距5 m的探测钻孔1组2孔，该探测钻孔的施工实现了以最少的探测工程量及早初步查清了巷道掘进前方巷道上覆煤层中的老空破坏及积水情况，远距离探测既安全又能及早采取防范措施；马圐圙煤矿物探成果划定的警戒线往北140~280 m段每隔10 m施工一组方位90°排钻，,纵向间距3.7 m，3个孔，孔深100 m钻孔，共计15组45个钻孔，以补充查明ZYL-2300D型千米定向钻机探测工程的盲区进一步做好水害防范工作。在千米定向钻机探测成果的基础上研究决定巷道是否变更设计及制定补充探测方案，探测结果无异常，使用YCS1024矿用本安型瞬变电磁仪在巷道掘进方向和垂直于巷道的倾向上山顺煤层方向100 m范围内进行探测，以进一步查清迎头前方100 m范围内的采空积水区、煤系地层富水区分布情况及构造的含水、导水性，为巷道掘进提供水害和地质构造预警，为钻探探测马圐圙煤矿和斜沟旧矿老空积水区提供更精准的靶区。物探探测成果无异常分区段按探测方案中钻孔设计进行钻探探测以确保探测精度，根据最终钻孔施工探测结果分析确定巷道向前掘进，依次循环直至巷道掘进至设计停掘位置。在23109材料巷到位处迎头上帮施工一组方位48°纵向呈扇形,纵向间距1.5 m，孔深100 m钻孔，共计1组9个钻孔，以圈闭探测范围的缺口，在保证安全的前提下减少了巷道至防隔水煤柱边界内的探测工程，提高了探测效率。4结论

针对斜沟煤矿23109材料巷特厚煤层区域距洪水灌井的马圐圙煤矿较近，影响矿井安全生产及采掘衔接的问题，本文根据调查分析综合研究，制定了切实可行探测方案保证了矿井安全生产的同时，释放了大量煤炭资源，减少了疏放水、排水、污水处理等工作量，对地面水源水质也起到了保护作用。实践结果证明，这种井下物探与钻探相结合，千米定向钻机与普通液压坑道钻机相结合，圈闭式综合探测洪水灌井老窑方案取得了极好的应用效果，对大型煤矿在尤其是特厚煤层区域防范周边洪水灌井老窑领域有很好的指导或借鉴意义。