矿井地测防治水预测预报精准性技术分析

夏国华

（江西乐矿能源集团有限公司，江西 景德镇）

引言

本文针对矿井经常出现的水害事故提出了地测防治水的预测预报技术，相关技术的精确效果直接影响到水害事故的防治效果，故而要采用更多先进技术提高其结果的准确性，文章对相关技术进行了探究。

1 矿井常见的突水事故

矿井生产作业的条件较为复杂，故而经常会遇到突水事故，其常见事故类型包括透水事故、冒顶溃水事故以及突水后中毒事故等，都会直接危害到矿工人身安全，常常会造成人员失踪甚至是死亡，因此要加强事故预防，表1 为2010-2019 年期间全国各煤矿开采工程中的突水事故发生的起数和实际死亡人数。

表1 2010-2019 年期间煤矿突水事故发生情况

矿井突水事故发生的原因较为复杂，通常与矿井内病害问题有关。例如，某矿地理位置处在煤田东部，其结构为单斜形式，浅部地层具有陡峭性质，倾角约为68.1°，局部位置有倒转情况，深部地层倾角在4.7°～11.8°之间，呈平缓态势，井内部大中型断裂和褶皱部分都是简单构造，长期实践可发现有小断层，由于处于特殊区段当中，其附近也具有繁杂的水文地质条件，面临水害威胁的可能性更大。矿井自开发建成与投入运作后截止到2020 年，共累计出现突水问题超过100 次，基于突水量划分事故，其中小于1 m3/min的事故有61 次，处于1 m3/min～5 m3/min 范围的事故有34 次，大于5 m3/min 的事故有7 次，如表2 所示。根据事故的冲水水源进行分类，其中基岩风化带裂隙水事故有26 次，顶板砂岩裂隙水事故发生20次，老空水+老塘水事故共有4 次，上中下三段分别发生灰岩水事故34 次、13 次以及6 次，如表3 所示。相关数据的统计发现，该矿井突水事故的最高值达到199.87 m3/h[1]。

表2 不同突水量的事故发生次数

表3 不同冲水水源的事故发生次数

2 矿井地测防治水预测预报精准性技术

2.1 矿井瞬变电磁法探测技术

许多矿井突水事故都是由于煤层顶底板病害引发，正如上述分析了顶板砂岩裂隙水事故类型，其造成的危害较严重，为了使相关水害事故发生概率进一步降低，对于矿井地测防治水来说，建议在开采之前，针对煤层顶底板含水率和相对富水区域实施专业勘测，主要勘测其地质条件与水文环境，检查煤层顶底板位置的实时含水率，从而实现水害的精准化预测预报[2]。在勘测作业时，经常会运用到井下与地面联合的矿井瞬变电磁法探测技术，该项技术在许多复杂煤矿中的富水区探测中得到广泛运用。通常情况下，矿井水平位置100 m 以下到100 m 以上附近都有着富水区域，专业勘测人员也注意到要检查其每层顶底板含水情况，而相对富水区则一般是在水平位置40 m 以下到40 m 以上左右位置处。但随着水平位置慢慢向上变化，矿井富水区域也会出现扩大趋势，尤其是水平位置40 m 以上区域的富水特征更明显，技术操作人员可使用专业探测仪对煤矿富水区域煤层含水情况加以检测，进而通过地质条件判断突水事故发生的隐患，进一步实现安全防护。瞬变电磁法探测的最大距离范围在100 m 左右，其测点间距则是控制在2 m～20 m，具体回线匝数和边长大小也要依据井下实际情况，例如，对某矿7240 上（N）工作面顶板含水率富存状况进行探查时，采用TEM47 瞬变电磁仪，布置测点时以8 m 为间距标准，朝向切眼方向，探测时的总走向长度约545 m，探测频率达到25 HZ，经探查发现煤层顶板纵坐标40 m～55 m 之间的范围区域富水性较强，含水层可能会影响到工作面开采，引发突水事故，有效实现预测预报，故而要尽快加强治理，开展探放水工作[3]。图1 为井下与地面联合瞬变电磁法探测的矿井富水情况。

图1 井下与地面联合瞬变电磁法探测的矿井富水情况

矿井瞬变电磁法探测技术原理是，设定固定导电率与导磁率，再使其均匀向各同性大地表面敷设一定面积的矩形发射回线，这种回线当中会供给阶跃脉冲电流，在电流确定断开前，回线周围和大地空间就会在发射电流作用下形成一个相对稳定的磁场，电流突然断开也会导致磁场立刻消失，这种一次磁场产生的剧烈变动，会经过地下导电介质与空气进一步传导至回线周围的大地区域中，进一步激发出感应电流，以此来维持消失发射电流的磁场空间，介质本身具有欧姆损耗，造成感应电流的衰减作用，磁场也会衰弱，此变化引发周围介质的出现新的强度颇弱的涡流，持续该过程后，大地欧姆消耗会完全消耗掉磁场能量，形成了瞬变电磁过程，伴随着的相应电磁场即为瞬变电磁场，能够实现对井区域实际富水情况的准确探测和了解。

2.2 老空水突水预测预报技术

在大部分矿井突水事故当中，老空水突水是杀伤力最强的水害问题，其特征是在很短时间内涌进较大水量，给矿井作业人员安全造成威胁，这种水量的冲击程度较强，因此也会干扰到地质层，严重时还可能引发地质层坍塌事故，带来更强的威胁，为了尽可能降低老空水突水事故的发生概率，需要采用科学的老空水探查预测预报手段。首先，现场检查矿井情况时，针对井下主体作业面，要获取完整、准确的地质水文数据信息，为灾害预报模型构建提供支持；其次，对已有的资料包括水文地质数据、工程报告以及以往自然灾害数据做深入分析，为实际预测和水害防治提供参考，同时也能利于采用更科学的手段治理老空水积水问题；最后，开展老空水分布状态的现场探查，在工程资料相对完整的情况下，探查时可以将积水线向外水平推移约60 m，使其作为探水线，在积水量不多或水头压力较低情况下，适量减少推移，但不宜低于20 m；若资料不够充分且积水量大、水头压力较高，应适当增加探水线至100～150 m 范围内，年代久远资料很少的老空区但每层还可加大到200 m 左右。例如，某矿开采造成的老空和水窝类型积水区域的资料较完整，边界位置相对准确，水头压力值不超过1 MPa，因此设计探水线达到积水线的每层距离在30 m 左右，通过探测获得各项数据，再进一步计算老空水积水量，其实际计算公式如下：

式中，W 表示老空积水量，单位为m3；M 表示采厚参数，单位为m；a 表示老空走向长度，单位为m；h 表示老空垂高参数，单位为m；F 表示老空区水平面积，单位为m2，α 表示煤层倾角，单位为°；K 表示老空充水系数，通常取0.3～0.5。

进一步对探水线的内钻孔布置分析并设计，确定其超前距、帮距、允许掘进距离以及密度等参数。其中超前距可以按照下述公式计算：

式中，a 表示超前距，单位为m；L 表示对应巷道的跨度，通常取高或宽的最大值，单位为m；A 表示安全系数，通常取2～5；p 表示水头压力值，单位为MPa；kp表示煤层抗张强度，通过试验测定获得，单位为MPa，通常取值阀内为0.2～1.4 MPa，在难以获得实测资料时借用[4]。

帮距是指最外侧呈扇形布置的探水孔实际控制范围和巷道帮之间的距离，该距离通常和超前值一致，也可能略微缩小1～2 m。允许掘进距离指经过探水后证实的无水害威胁能够安全实施掘进的距离长度。密度指钻孔的孔间距，一般是允许掘进距离终点位置探水钻孔间的距离，大小视情况来定，但通常不会大于3 m。图2 为探水钻孔超前距、允许掘进距离以及超前距的相关示意。

图2 探水钻孔超前距、允许掘进距离以及超前距的相关示意

2.3 监测采动岩层地应力对矿井出水预报的技术

矿井煤层和其他地质层之间一般处于平衡状态，但实际开采作业时，采掘力可能会打破这种平衡，导致煤层与其他地质层之间出现应力变动，进而引发裂缝现象，造成一定安全威胁，在此基础上也有可能出现突水事故。具体来说，煤矿开采时的裂缝在其他地质层或是设备振动作用影响下会慢慢扩大，演变成一条导水性通道，形成突水问题，因此，可以针对采动岩层地应力进行监测，从而预测预报矿井出水，设计相关监测系统，针对透水、突水的特征采用监测方法，通常可利用应力解除法、声发射法以及刚性包体应力计法，将工作面地层应力指数获取，岩层内部则是安装传感器装置，其可以将搜集到的应力变化信息以有线信号形式传输到观测总站，了解地层情况，其中地层应力指数一般为最大地应力和岩石单轴抗压强度的比值，其公式为：

式中，S 表示地层应力指数；σ1表示最大地应力；σt表示岩石单轴抗压强度比值。

采动岩层的应力监测系统作用原理颇为简单，其是借助了传感器方阵，结合数据处理系统和结果显示系统，在采煤生产工作面周围的岩层地应力出现变动时，其对应的岩层和煤层电阻值也会出现变化，传感器方阵对此较为敏感，可快速获取到变化信息，再将电信号传递到数据分析处理模块，获得分析结果。采动岩层地应力监测作用能够落实到矿井生产各个环节当中，其也能为了解地质出水现象提供很大帮助，进一步防治矿井地层的水害问题，提高矿井施工生产的安全水平[5]。

结束语

综上所述，矿井地测防治水的精准化预测预报，决定了矿井作业能否及时发现水害事故并治理，从而影响到开采作业人员的人身安全保护，因此要保证预测预报结果的准确客观，科学选择精准化矿井地测防治水预测预报技术，降低水害的发生概率，保证矿井生产工作的安全推进。由本文分析可知，矿井地测防治水预测预报精准性技术类型包括：①矿井瞬变电磁法探测技术；②老空水突水预测预报技术；③监测采动岩层地应力对矿井出水预报的技术。