忻州窯礦井下綜合防水技術(shù)方案的應(yīng)用研究

蘇 亮

（同煤集團(tuán)地質(zhì)勘測(cè)處防治水科，山西 大同 037001）

忻州窯礦位于山西省大同市西南方向，現(xiàn)開采11#～14#煤層，開采方式為一次采全高低位放頂煤開采。1041 底抽巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度853 m，巷道布置在6#煤層中，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，支護(hù)方式為11#工字鋼配合錨網(wǎng)錨索支護(hù)，巷道斷面11.2 m2。2019 年4 月5 日1041 底抽巷掘進(jìn)至275 m 處時(shí)，迎頭頂板及左手幫鉆場(chǎng)底板涌水明顯增大，涌水點(diǎn)水量9.5 m3/h，出水持續(xù)周期16 d。巷道向前掘進(jìn)453 m 時(shí)巷道迎頭頂板及煤壁出現(xiàn)不同程度淋水，初期涌水量為23 m3/h，隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行出水量減小為15 m3/h。1042 底抽巷施工順煤層探水鉆孔過程中，發(fā)生孔內(nèi)涌水，隨著孔內(nèi)水量增大，超出巷道排水能力，發(fā)生巷道被淹事故，涌水量為80～130 m3/h，三日后穩(wěn)定涌水量115 m3/h。目前采區(qū)5 號(hào)煤主要充水水源為頂板砂巖裂隙水和奧陶系巖溶裂隙水，1041 底抽巷三次發(fā)生涌水，充水水源除了頂板水外，不排除奧灰水通過節(jié)理、裂隙發(fā)育帶、導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱等溝通煤層及底板隔水層，如不提前采取防治措施，在回采后?duì)底板產(chǎn)生大規(guī)模破壞的情況下，奧灰水可能通過裂隙帶進(jìn)入工作面形成水害。

目前忻州窯礦井下對(duì)可疑儲(chǔ)水區(qū)域的勘探主要采用了根據(jù)地質(zhì)情況和作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鉆進(jìn)探測(cè)的方案，整體探測(cè)效率較低，而且其排水時(shí)采用了搖臂鉆機(jī)人工鉆進(jìn)方案，雖然體積小，應(yīng)用靈活，但鉆進(jìn)效率低、成型質(zhì)量差，難以滿足快速探放水的需求。針對(duì)以上情況提出了采用瞬變電磁法進(jìn)行井下積水探測(cè)，利用超前鉆孔放水進(jìn)行排水的方案。根據(jù)在1041 底抽巷的實(shí)際應(yīng)用表明，采用新的綜合防治水技術(shù)后，井下探放水效率提升了47%以上，有效提升了井下掘進(jìn)效率和安全性。

1 瞬變電磁法探放水

瞬變電磁法[1]是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。由于水和巖層的電阻率存在著較大的差異性，因此通過該方案能夠快速定位巖層深處的積水區(qū)域。瞬變電磁探放水原理如圖1 所示[2]。

圖1 瞬變電磁測(cè)量原理

在井下探測(cè)時(shí)采用了YCS-800 礦用瞬變電磁儀進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)井下實(shí)際情況選擇在巷道內(nèi)鋪設(shè)區(qū)域?yàn)?00 m×70 mm 的回字形矩形探測(cè)線框（區(qū)域受限時(shí)可以適當(dāng)降低探測(cè)線框長(zhǎng)度），對(duì)巷道內(nèi)的積水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，共計(jì)設(shè)置50 個(gè)探測(cè)點(diǎn)。探測(cè)結(jié)果如圖2 所示，圖中橫坐標(biāo)表示探測(cè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示電阻值。

根據(jù)實(shí)際探測(cè)結(jié)果可知，在巖層深處有電阻低于300 Ω 的區(qū)域分布，由于巖層和煤層的電阻一般會(huì)在600 Ω 以上，電阻異常區(qū)域推測(cè)為積水區(qū)域。該電磁探測(cè)的方案只需2 人配合，1 d 時(shí)間即完成了對(duì)井下巷道區(qū)域積水情況的探測(cè)，而采用傳統(tǒng)探測(cè)方案時(shí)需要8 人配合，至少3 d 才能完成井下積水區(qū)域的探測(cè)。因此可知，瞬變電磁法比傳統(tǒng)技術(shù)方案探測(cè)效率提升12 倍，且探測(cè)全面，探測(cè)精度高。

圖2 瞬變電磁法測(cè)量結(jié)果

2 超前探放水方案

根據(jù)煤礦井下積水區(qū)域探測(cè)結(jié)果，為了提升鉆進(jìn)效率和探放水效果，提出了一種新的超前探放水技術(shù)方案。由于煤礦井下地質(zhì)條件相對(duì)較為松軟，為了避免在自動(dòng)鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)失穩(wěn)導(dǎo)致鉆進(jìn)傾斜、鉆頭折斷等異常，需要在布設(shè)鉆機(jī)的地方進(jìn)行鉆場(chǎng)地基加固。

鉆機(jī)的固定采用了地錨固定方案。首先根據(jù)鉆機(jī)底座結(jié)構(gòu)開挖地基，開挖后用高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行鉆機(jī)底座的澆筑，基礎(chǔ)厚度不少于1.5 m，根據(jù)鉆機(jī)規(guī)格要求，其長(zhǎng)度不低于2.5 m，寬度不低于1.2 m。在地基的基礎(chǔ)前端預(yù)留0.5 m 的鉆具拆卸槽，便于快速的調(diào)整和更換。一個(gè)基礎(chǔ)地基需要滿足在鉆進(jìn)區(qū)域內(nèi)多個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)需求。由于井下底板奧灰含水層富水性強(qiáng)，在鉆進(jìn)的過程中有可能會(huì)產(chǎn)生突水事故，因此在鉆場(chǎng)附近必須增加排水溝及備用的大功率排水泵，確保鉆進(jìn)過程中的安全性。超前探放水鉆場(chǎng)布置結(jié)構(gòu)如圖3 所示[3]。

圖3 井下超前探放水鉆場(chǎng)布置

采用自動(dòng)超前探放水自動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)方案后，鉆進(jìn)效率比采用人工鉆進(jìn)提升了47%以上，鉆進(jìn)過程中的防突水性得到了極大的提升，未出現(xiàn)過程鉆進(jìn)時(shí)的突水事故，極大地提升了鉆進(jìn)的效率和安全性。

3 井下鉆井結(jié)構(gòu)及工藝

由于奧灰含水層的特殊結(jié)構(gòu)，在鉆進(jìn)過程中具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性，因此為了確保鉆進(jìn)過程中的安全性，在鉆孔四周必須設(shè)置鉆孔防護(hù)管，并采用階梯型的鉆孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)忻州窯礦1041 底抽巷的實(shí)際情況，所選擇的鉆孔的孔徑為168 mm，在鉆進(jìn)時(shí)提前設(shè)置了5 m 長(zhǎng)、直徑為146 mm 的防護(hù)管，待鉆進(jìn)完成固管掃孔后再更換直徑為133 mm 的鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)到15 m 的深度，然后再加入直徑108 mm的孔口管，最后再更換鉆孔直徑為89 mm 的鉆頭，一直鉆進(jìn)到底。階梯型鉆孔結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 井下鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

在鉆進(jìn)過程中首先需要根據(jù)設(shè)計(jì)的孔位進(jìn)行鉆進(jìn)，在探放水鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤巖松軟、片幫、來壓或者鉆眼中水壓、水量突然增大和頂鉆等透水征兆時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止鉆進(jìn)[4]，但不得拔出鉆桿；應(yīng)當(dāng)立即向礦井調(diào)度室匯報(bào)，派人監(jiān)測(cè)水情。發(fā)現(xiàn)情況危急，應(yīng)當(dāng)立即撤出所有受水威脅區(qū)域的人員到安全地點(diǎn)，然后采取安全措施，進(jìn)行處理。同時(shí)探水工作面要經(jīng)常檢查瓦斯及其他有害氣體，當(dāng)瓦斯含量達(dá)1%時(shí)，必須停止鉆進(jìn)，達(dá)到1.5%時(shí)，必須停止工作，使其降至1%以下，方可開動(dòng)機(jī)器繼續(xù)執(zhí)行鉆進(jìn)作業(yè)。

4 井下綜合防水技術(shù)方案應(yīng)用效果

忻州窯礦1041 綜采面應(yīng)用新的綜合防水技術(shù)方案后，對(duì)含水區(qū)域的檢出率達(dá)到了100%，探測(cè)效率比傳統(tǒng)技術(shù)方案提升12 倍，采用機(jī)械化自動(dòng)鉆孔技術(shù)方案，鉆進(jìn)效率比采用人工鉆進(jìn)提升了47%以上，鉆進(jìn)過程中的防突水性得到了極大的提升，顯著提升了井下的綜采作業(yè)效率和安全性。

5 結(jié) 論

針對(duì)忻州窯礦井下1041 綜采面巷道掘進(jìn)過程中存在的探放水效率低下、堵水效果不佳，提出了采用瞬變電磁法進(jìn)行井下積水探測(cè)，利用超前鉆孔放水進(jìn)行排水的方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，通過測(cè)定不同區(qū)域的電阻來判斷積水區(qū)域的方法，探測(cè)效率比傳統(tǒng)鉆孔探測(cè)方案提升12 倍，而且探測(cè)全面，探測(cè)精度高。

（2）超前探放水自動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)方案，鉆進(jìn)效率比采用人工鉆進(jìn)提升了47%以上，鉆進(jìn)過程中的防突水性得到了極大的提升，未出現(xiàn)過鉆進(jìn)時(shí)的突水事故，極大地提升了鉆進(jìn)的效率和安全性。