定向與常規(guī)鉆探相結(jié)合技術(shù)在老空水害防治中的應(yīng)用

魏世榮,崔 猛,金祥波

(1.國家能源集團煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京市昌平區(qū)，102209；2.國家能源集團烏海能源有限責任公司五虎山煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市,016000；3.國家能源集團烏海能源有限責任公司地測防治水管理部，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，016000)

烏海礦區(qū)開采歷史悠久，歷史上小煤窯數(shù)量多，最多達800余處。由于小煤窯大多無準確圖紙資料、存在越界開采和老空積水，且老空積水位置分散、孤立、隱蔽，其空間分布形態(tài)、賦存分布規(guī)律復雜不易掌握，探查難度較大，無法獲得小煤窯的準確分布位置，已成為礦井老空水防治的難點[1-2]。

烏海能源公司所屬大部分礦井受老空水害威脅，特別是所屬的五虎山煤礦的7號、9號、12號煤層，公烏素煤礦的7號、9號、16號煤層和利民煤礦的9號、16號煤層存在小煤窯越界開采現(xiàn)象[3]，防治水工作任務(wù)重、難度大。通過對以往邊界小煤窯探查分析，采用定向鉆探或常規(guī)鉆探單一手段均存在一些弊端，比如定向鉆機整機重量較重、作業(yè)曲率半徑較大，常規(guī)鉆孔探查范圍有限、存在盲區(qū)、鉆孔精度低等。與單一的鉆探手段相比，在老空水探放中采用定向鉆探和常規(guī)鉆探結(jié)合的技術(shù)具有可減少鉆探工作量、提高探查精度、縮短工作面準備時間、降低成本、提升探查效果等優(yōu)點[3-7]。因此，采用定向鉆探和常規(guī)鉆探結(jié)合的技術(shù)是老空水害防治的重要技術(shù)，是解決礦井老空水害、實現(xiàn)安全高效礦井的重要手段，在查明充水水源、導水通道和水害治理工作中起著重要作用，具有很好的推廣應(yīng)用前景[3，8-12]。

1 定向鉆探和常規(guī)鉆探相結(jié)合技術(shù)的優(yōu)勢

定向鉆探和常規(guī)鉆探相結(jié)合的技術(shù)具有利用定向鉆探成孔精度高、偏斜、一次性探查距離遠、鉆孔軌跡可人為控制、探查效率高、鉆探區(qū)域盲區(qū)小、可以準確判斷各異常點的鉆進高程和位置、對探測區(qū)域分析提供準確數(shù)據(jù)的特點。在邊界小煤窯探查中先使用定向鉆孔對工作面采動影響范圍內(nèi)的煤巖層進行探查，圈出工作面采動影響范圍內(nèi)的老空區(qū)邊界線或工作面安全線，再利用常規(guī)鉆機重量小、移動靈活、現(xiàn)場施工條件要求低的特點，進一步使用常規(guī)鉆孔對定向鉆探遺留的局部盲區(qū)和重點防范部位進行補充鉆探，消除盲區(qū)內(nèi)存在老空積水的風險，確保工作面采掘安全。

2 定向鉆探和常規(guī)鉆探相結(jié)合技術(shù)的應(yīng)用

2.1 五虎山煤礦應(yīng)用

五虎山煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，行政隸屬于烏海市烏達區(qū)，賀蘭山煤田烏達礦區(qū)南部，井田南部分布大量小煤窯采空區(qū)，在露采剝挖過程中曾揭露4號、7號、8號、9號、12號煤層20多個小煤窯井口。小煤窯在五虎山煤礦南側(cè)分布范圍較廣、層位多，小煤窯情況極其復雜，原有小煤窯巷道在露采剝挖過程中遭到了破壞，幾年來，大氣降雨通過露采坑均進入了小煤窯巷道，并進一步補給五虎山煤礦采空區(qū)，對井田南翼9號、10號、12號煤層工作面安全回采構(gòu)成嚴重威脅。

2.1.1 探放水設(shè)計及工程實施

五虎山煤礦目前主要開采12號煤層，根據(jù)以往調(diào)查資料，井田南翼緯線73 800以南區(qū)域12號煤層歷史上有建安公司小井開采，12號煤層南翼的1202工作面運輸巷一側(cè)曾揭露小窯巷道。五虎山煤礦曾在12號煤層南翼1208工作面中開切眼處施工定向鉆孔1號及1-2a號對12號煤層小井老空水進行探放，探查出小窯位置在緯線73 652.5處。因此，規(guī)劃開采的12號煤層南翼1206工作面、1208工作面均可能受南翼小煤窯水害威脅。

為查清1206工作面鄰近小煤窯情況，同時超前謀劃解決1208工作面小煤窯水害隱患，在0908工作面布置1個定向鉆孔，在1206工作面布設(shè)4個定向主孔及3個分支孔，其中D1、D2-1鉆孔揭露12號煤層小煤窯采空區(qū)出水；定向鉆孔施工完成后，在1206工作面布設(shè)6個常規(guī)鉆孔對定向鉆孔遺留的盲區(qū)進行補充探查，消除盲區(qū)，保證工作面影響范圍內(nèi)小煤窯的全覆蓋探查和1208工作面南翼小煤窯入侵范圍的提前探查，避免了小煤窯水害風險的存在。12號煤層探放水鉆孔參數(shù)見表1。

表1 12號煤層探放水鉆孔參數(shù)

2.1.2 探查成果

0908和1206工作面施工的14個鉆孔中4個探查孔出水，累計疏放老空水91.8萬m3。探查結(jié)果表明，五虎山井田12號煤層小煤窯在1206工作面開切眼外緯線4 373 765南探出小煤窯越界巷道，小煤窯巷道距1206工作面開切眼最短距離為95 m，滿足防隔水煤柱不小于30 m的留設(shè)寬度安全要求；在設(shè)計1208工作面外緯線4 373 642探出小煤窯越界巷道，為1208工作面采掘布局提供了基礎(chǔ)決策數(shù)據(jù)，并對小窯積水進行了提前疏放，有效解決了工作面水害隱患，確保了工作面安全回采。五虎山煤礦老空水探查鉆孔示意如圖1所示。

圖1 五虎山煤礦老空水探查鉆孔示意

2.2 公烏素煤礦應(yīng)用

公烏素煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū)境內(nèi)，卓子山煤田公烏素礦區(qū)中部，井田露頭邊緣存在多個合法小煤窯，9號、12號、16號煤層均有剝挖現(xiàn)象，小煤窯開采方式多為房柱式開采，南采區(qū)16號煤層021601工作面以北區(qū)域及16號軌道下山以東區(qū)域曾有小煤窯開采，采空區(qū)位置及積水情況不明，對16號煤層采掘造成威脅。16號煤層厚度8 m，鄰近小煤窯一般沿底開采，采高大于2 m，為減少探放水鉆孔平面及垂向上盲區(qū)，主要采用沿煤層定向鉆探對小煤窯水進行探查，個別地段采用常規(guī)鉆探進行補充探查。

2.2.1 探放水設(shè)計及工程實施

公烏素煤礦目前主要開采16號煤層，正在掘進的南采區(qū)16號軌道下山和021601工作面回風巷受東北側(cè)小煤窯水害威脅，為查清16號煤層021601回風北聯(lián)巷北側(cè)及工作面東側(cè)小煤窯情況，以設(shè)計巷道留設(shè)30 m防隔水煤柱為基本原則，在+1 000 m大巷電瓶車充電硐室施工鉆場，布設(shè)1個長距離定向主孔和4個分支孔探查小煤窯入侵范圍，鉆孔軌跡距設(shè)計巷道最近水平距離為30 m，5個鉆孔均未揭露小煤窯巷道。因位于電瓶車充電硐室的鉆場位于F10正斷層上盤，施工的5個定向鉆孔進入斷層下盤16號煤層后，見煤點與斷層下盤斷煤交線間存在盲區(qū)，導致5個定向鉆孔不能完全覆蓋小煤窯可能入侵的通道，因此，在16號煤層021601運輸巷新增補2個常規(guī)鉆孔，消除定向鉆孔探查遺留的盲區(qū)，確保021601回風北聯(lián)巷掘進安全。施工的2個常規(guī)鉆孔均未揭露小煤窯巷道。021601工作面探放水鉆孔參數(shù)見表2。

表2 021601工作面探放水鉆孔參數(shù)

2.2.2 探查成果

本次探查結(jié)果表明，+1 000 m大巷電瓶車充電硐室鉆場施工的1號鉆孔設(shè)計距021601回風巷右?guī)?0、35、40 m，且距16號底板以上2、4、6 m位置，終孔孔深分別為1-1a號孔654 m、1-4號孔663 m、1-5號孔645 m，該鉆孔施工過程中未見空巷，無有害氣體；2號鉆孔施工至219 m處塌孔，推斷此處為斷層。16號煤層16號輔助運輸巷回風北聯(lián)巷鉆場施工的2個常規(guī)鉆孔均未見采空區(qū)，無水、無有害氣體。因此，推測16號軌道下山及021601回風巷外30 m范圍內(nèi)無小煤窯越界情況，排除了小煤窯水害的威脅，目前該工作面已安全回采。021601工作面北翼小煤窯探查鉆孔示意如圖2所示

圖2 021601工作面北翼小煤窯探查鉆孔示意

2.3 利民煤礦應(yīng)用

利民煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗境內(nèi)，礦區(qū)東北部露頭區(qū)與多個小煤窯相鄰，周邊小煤窯與利民煤礦同采16號煤層，現(xiàn)已全部關(guān)閉，小煤窯在開采9號和16號煤層時，存在不同程度的越界開采情況，由于小煤窯開采時間較長，又缺乏準確詳細的測量資料，越界范圍和積水情況不清，對工作面布置和安全采掘構(gòu)成威脅。

2.3.1 探放水設(shè)計及工程實施

利民煤礦目前靠近井田東北部的9號煤層已基本回采完畢，現(xiàn)階段主要開采16號煤層，計劃開采的16號煤層011604工作面位于井田二盤區(qū)最北部，受東北部安利煤礦小井越界及采空區(qū)積水威脅。為給16號煤層011604工作面設(shè)計提供依據(jù)，同時確保巷道掘進安全，在原設(shè)計011604回風巷開口位置設(shè)計4個主孔8個分支孔探查小煤窯越界范圍；工作面掘進過程中在011604回風巷540 m處布置2號鉆場，設(shè)計1個主孔2個分支孔進一步探查小煤窯邊界,3個鉆孔均未揭露小煤窯巷道。011604工作面回采至300 m附近時，在回風巷250 m處布置鉆場，設(shè)計3個常規(guī)鉆孔對已探查揭露的小煤窯補充探查小煤窯分布特征，驗證小煤窯疏放水效果，確保工作面回采不受小煤窯水害威脅。011604工作面探放水鉆孔參數(shù)見表3。

表3 011604工作面探放水主要鉆孔參數(shù)

2.3.2 探查成果

探查表明，011604回風巷開口位置施工的12個鉆孔中的11個鉆孔揭露了小煤窯巷道，4個鉆孔出水，判斷安利煤礦16號煤層越界深度為54 m，長度為445 m，疏放老空水2.35萬m3；在011604回風巷250 m鉆場施工的3個鉆孔均揭露小煤窯巷道無水。根據(jù)探查結(jié)果，工作面前670 m范圍011604回風巷位置已由原來位置向井田內(nèi)回退50 m，670～1 470 m范圍調(diào)整了011604回風巷位置,向井田邊界偏移75 m，釋放了48萬t資源儲量，目前工作面已安全回采。011604工作面同層小煤窯探查鉆孔示意如圖3所示。

圖3 011604工作面同層小煤窯探查鉆孔示意

3 結(jié)論

(1)常規(guī)鉆孔與定向鉆孔相結(jié)合的探查技術(shù)在烏海能源公司五虎山煤礦、公烏素煤礦和利民煤礦邊界小煤窯的應(yīng)用，解除了五虎山煤礦01采區(qū)南翼工作面、公烏素煤礦021601工作面、利民煤礦011604工作面周邊小煤窯水害隱患，保障了工作面安全回采。

(2)兩種探查技術(shù)的有效結(jié)合，減少了探放水工程施工周期，降低了施工成本，提高了掘進效率，縮短了工作面準備時間，保障了工作面正常接續(xù)。

(3)兩種探查技術(shù)在五虎山煤礦1208接續(xù)工作面、利民煤礦011604工作面超前探查治理的應(yīng)用，為五虎山煤礦1208接續(xù)工作面和利民煤礦011604工作面布局調(diào)整提供了科學依據(jù)，有效釋放煤炭資源量100多萬t。