渠　磊

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西　興縣　033602)

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·試驗(yàn)研究·

綜合探測(cè)采空區(qū)積水在斜溝煤礦掘進(jìn)中的應(yīng)用

渠磊

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西興縣033602)

小煤窯采空區(qū)積水是威脅礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。為了消除陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)積水對(duì)斜溝煤礦15采區(qū)上山大巷掘進(jìn)的水害威脅，通過(guò)地面物探與井下物探、鉆探、化探相結(jié)合的綜合探測(cè)方法，結(jié)合巷道水文地質(zhì)條件優(yōu)化“有掘必探”設(shè)計(jì)，采用“掘進(jìn)與探放水并行”的管理模式，確保了15采區(qū)皮帶上山安全快速掘進(jìn)到位，并成功探放出11萬(wàn)m3陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)積水，徹底消除了采空區(qū)積水威脅，優(yōu)化了礦井采掘部署。

綜合探測(cè)；采空區(qū)；積水；水文地質(zhì)條件；掘進(jìn)

斜溝煤礦是山西西山晉興能源有限責(zé)任公司新建礦井，于2003年建礦，2005年正式投產(chǎn)，現(xiàn)原煤生產(chǎn)能力1 500萬(wàn)t/a. 井田位于河?xùn)|煤田北部遠(yuǎn)景普查區(qū)的北中部，地層總體上為一走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，東部煤層露頭區(qū)域小煤窯分布較多。根據(jù)礦井采掘銜接，15采區(qū)上山大巷將從已關(guān)閉的陽(yáng)坪煤礦礦界內(nèi)穿過(guò)，巷道掘進(jìn)受小窯采空區(qū)積水嚴(yán)重威脅。為確保安全生產(chǎn)，斜溝煤礦在15采區(qū)上山大巷掘進(jìn)過(guò)程中采用地面物探先行、井下“物探-鉆探-化探”驗(yàn)證的綜合探測(cè)手段，采用“掘進(jìn)和探放水并行”的管理模式，確保巷道安全掘進(jìn)到位。

1　陽(yáng)坪煤礦概況

陽(yáng)坪煤礦位于斜溝煤礦15采區(qū)東南部，為地方小煤礦，1982年建井，開(kāi)采面積1.2 km2，開(kāi)采8#煤，刀柱式采煤，生產(chǎn)能力9萬(wàn)t/a，1997年關(guān)閉后，資料無(wú)人接收，基本全部流失，僅從山西呂梁興縣地礦局復(fù)印出一張?jiān)摰V采掘工程平面圖，圖面精度差，資料可信度低，開(kāi)采范圍無(wú)法確定。

根據(jù)前期實(shí)地調(diào)查，陽(yáng)坪煤礦井下積水水面已高于主斜井井底車(chē)場(chǎng)，回風(fēng)井積水位于井口內(nèi)85 m處，積水量相當(dāng)大，補(bǔ)給水源為大氣降水通過(guò)采空區(qū)上部地面塌陷裂隙滲入。

2　15采區(qū)上山大巷與陽(yáng)坪煤礦關(guān)系

15采區(qū)皮帶、回風(fēng)、輔助運(yùn)輸大巷是服務(wù)15采區(qū)生產(chǎn)的3條上山大巷。根據(jù)礦井3年生產(chǎn)銜接計(jì)劃，15采區(qū)3條上山大巷將從陽(yáng)坪煤礦礦界內(nèi)西北側(cè)穿過(guò)。2010年3月，15采區(qū)皮帶上山首先從+700 m北翼輔助運(yùn)輸大巷開(kāi)口施工。由于陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)范圍不清，無(wú)法確定巷道是否將穿過(guò)采空區(qū)。

3　地面物探方法的選擇

巷道掘進(jìn)前，應(yīng)用地面測(cè)氡和瞬變電磁法對(duì)陽(yáng)坪煤礦進(jìn)行地面勘探，以查清陽(yáng)坪煤礦西部及北部邊界區(qū)域內(nèi)采空區(qū)和積水范圍?？碧絽^(qū)南北長(zhǎng)720 m，東西寬600 m，勘探有效面積為0.222 4 km2.

物探方法勘探原理如下：

1) 瞬變電磁法即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。瞬變電磁法對(duì)含、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻體反應(yīng)敏感，體積效應(yīng)小、分辨率高。測(cè)區(qū)內(nèi)地層沉積序列清晰，地層相對(duì)穩(wěn)定，在橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律等地層電性特點(diǎn)，因而能夠取得較好的積水范圍探測(cè)效果。

2) 測(cè)氡法。煤礦采空區(qū)形成后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。通過(guò)儲(chǔ)氣、集氣、通道作用，氡射氣元素向采空區(qū)運(yùn)移、集聚，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。通過(guò)測(cè)量地表氡元素的γ射線強(qiáng)度，可以圈定采空區(qū)的位置和范圍。

4　圈定探水“三線”

地面物探報(bào)告表明，測(cè)區(qū)內(nèi)除西北角及西部邊緣一帶以外，其他區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)積水區(qū)，且在采空區(qū)西部和北部積水嚴(yán)重，局部存在煤柱。

根據(jù)地面物探結(jié)果，圈定了陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)積水的探水“三線”，即積水線、探水線、警戒線，預(yù)計(jì)采空區(qū)積水面積70 688 m2，積水量141 376 m3，積水標(biāo)高+898～+980 m. 積水線為地面物探結(jié)果的采空區(qū)積水邊界，積水線平行外推100 m劃定為探水線，探水線再平行外推150 m劃定為警戒線。通過(guò)地面物探和搜集的陽(yáng)坪煤礦采掘資料，可以看出15采區(qū)3條上山將從采空區(qū)西北部穿過(guò)，有可能與采空區(qū)貫通。

由于測(cè)區(qū)為山區(qū)，溝谷縱橫，地勢(shì)起伏不平，影響到地面物探勘測(cè)線的布置，造成物探盲點(diǎn)。再加上地面測(cè)氡法和瞬變電磁法本身具有技術(shù)局限性，探測(cè)結(jié)果存在一定的誤差。所以，必須在地面物探的基礎(chǔ)上進(jìn)行井下“有掘必探”工作。

5　優(yōu)化“有掘必探”方案

由于15采區(qū)3條上山大巷掘進(jìn)距離長(zhǎng)，工作面水文地質(zhì)條件在掘進(jìn)不同階段差異較大。根據(jù)工作面掘進(jìn)不同階段的水文地質(zhì)條件類(lèi)型優(yōu)化“有掘必探”設(shè)計(jì)，可達(dá)到事半功倍的作用。

1) 簡(jiǎn)單類(lèi)型。工作面基本不受直接或間接充水水源的影響，且沒(méi)有自然或人為的充水通道。在這種區(qū)域條件下掘進(jìn)時(shí)，“有掘必探”設(shè)計(jì)選擇以物探為主的超前探測(cè)方式。即：工作面物探距離為80 m，若無(wú)異常(視電阻率值>30 Ω·m，下同)，允許掘進(jìn)50 m，留設(shè)30 m安全距離，循環(huán)物探。若物探結(jié)果存在異常(視電阻率值≤30 Ω·m，下同)，則另行編制物探異常區(qū)鉆探驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

2) 中等類(lèi)型。工作面受到直接或間接充水水源的影響，基本沒(méi)有自然或人為的充水通道。在這種區(qū)域條件下掘進(jìn)時(shí)，“有掘必探”設(shè)計(jì)選擇物探+鉆探的超前雙探方式。物探原則同上。超前鉆探每次扇形布置3個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為80 m，若無(wú)異常，允許掘進(jìn)50 m，留設(shè)30 m的安全距離，循環(huán)鉆探。

3) 復(fù)雜類(lèi)型。工作面受到直接或間接充水水源的影響，有自然或人為的充水通道。在這種區(qū)域條件下掘進(jìn)時(shí)，“有掘必探”設(shè)計(jì)選擇探放水的超前探測(cè)方式。

4) 落實(shí)“有掘必探”長(zhǎng)探+短探措施。工作面掘進(jìn)前方受影響范圍內(nèi)在確定存在采空區(qū)或異常區(qū)的情況下，在施工超前長(zhǎng)探鉆孔的基礎(chǔ)上，掘進(jìn)隊(duì)組必須采取班班超前短探的措施。超前短探每次扇形布置5～7個(gè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為8～10 m，若無(wú)異常，允許掘進(jìn)5 m，留設(shè)3～5 m的安全距離，循環(huán)鉆探。

5) 無(wú)論在何種情況下，掘進(jìn)工作面出現(xiàn)水文地質(zhì)情況異常時(shí)，都必須加強(qiáng)綜合探測(cè)的力度，必要時(shí)立即轉(zhuǎn)為探放水模式，并另行編制該掘進(jìn)階段的探放水設(shè)計(jì)。

6　綜合探測(cè)

根據(jù)水文地質(zhì)條件，15采區(qū)皮帶上山“有掘必探”分3個(gè)類(lèi)型實(shí)施。掘進(jìn)前段為帶壓開(kāi)采區(qū)域，屬中等類(lèi)型，執(zhí)行物探+鉆探的超前雙探方式；掘進(jìn)中段為不帶壓區(qū)域，屬簡(jiǎn)單類(lèi)型，選擇以物探為主的超前探測(cè)方式；掘進(jìn)后段(陽(yáng)坪煤礦警戒線以內(nèi))受采空區(qū)積水水源直接威脅，屬?gòu)?fù)雜類(lèi)型，選擇探放水的超前探測(cè)方式，同時(shí)執(zhí)行“有掘必探”長(zhǎng)探+短探措施。

2011年10月30日，15采區(qū)皮帶上山掘進(jìn)至警戒線后，巷道掘進(jìn)改成探水前行模式，編制專門(mén)的探放水設(shè)計(jì)。工作面或已掘巷道出現(xiàn)異常出水時(shí)，要及時(shí)采集水樣進(jìn)行化驗(yàn)，判別出水水源，進(jìn)一步指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

在物探+鉆探+化探并用的前提下，結(jié)合該巷與陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)空間位置關(guān)系，提出了“掘進(jìn)與探放水并行”與“有掘必探”長(zhǎng)探+短探的模式：首先井下物探采用對(duì)水敏感的TEMHZ75礦用本質(zhì)安全性瞬變電磁儀及配套的TEMJF50礦用隔爆兼本安型瞬變電磁儀發(fā)射機(jī)(由武漢華睿地學(xué)有限公司研制研制)，探測(cè)深度200 m. 物探結(jié)果無(wú)異常區(qū)域，則在迎頭使用ZDY-1250型礦用液壓鉆機(jī)按設(shè)計(jì)施工超前長(zhǎng)探鉆孔，后隊(duì)組在掘進(jìn)過(guò)程中班班使用錨桿機(jī)施工超前短探鉆孔。根據(jù)物探和鉆探結(jié)果，在留足30 m超前距的情況下，允許巷道向前掘進(jìn)一定距離后，再進(jìn)行物探和鉆探，依次類(lèi)推。在物探結(jié)果有異常區(qū)域，且在巷道靠近采空區(qū)一側(cè)時(shí)，先在工作面迎頭施工超前探鉆孔，確保消除掘進(jìn)前方水害隱患，同時(shí)在巷道靠近采空區(qū)一側(cè)施工探放水硐室，在硐室內(nèi)對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行探放水，不影響正常掘進(jìn)。

探水、放水過(guò)程中，巷道在超前物探、鉆探無(wú)異常情況下，向前掘進(jìn)了635 m，安全掘進(jìn)到位，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)和探放水同時(shí)作業(yè)的目的。

從2012年6月18日開(kāi)始放水到2013年3月31日，上述3個(gè)放水孔已全部無(wú)水，累計(jì)放出陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)積水114 025 m3，陽(yáng)坪煤礦底板標(biāo)高+930 m以上采空區(qū)積水基本放完，采空區(qū)剩余積水對(duì)15采區(qū)3條上山巷道掘進(jìn)已無(wú)影響。

7　工作創(chuàng)新點(diǎn)

礦區(qū)內(nèi)及周邊存在小煤礦采空區(qū)，首先要進(jìn)行地面測(cè)氡和瞬變電磁法勘探，查明采空區(qū)范圍和積水范圍?？紤]15采區(qū)皮帶上山與陽(yáng)坪煤礦采空區(qū)的空間位置關(guān)系，通過(guò)井上、下物探手段相互驗(yàn)證，采用“掘進(jìn)與探放水并行”的管理模式，進(jìn)一步確定采空區(qū)積水區(qū)域，從而為井下探放水標(biāo)定靶場(chǎng)，提高探水精度，同時(shí)優(yōu)化“有掘必探”方案，減少鉆探施工量，提高了掘進(jìn)效率。15采區(qū)皮帶上山安全掘進(jìn)到位，亦為15采區(qū)剩余2條上山巷道的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障，對(duì)優(yōu)化礦井采掘部署有重要指導(dǎo)作用。

8　結(jié)　語(yǔ)

煤礦掘進(jìn)巷道一側(cè)有采空區(qū)積水威脅的情況下，通過(guò)井上、下物探手段疊加探測(cè)，井下超前鉆探、化探進(jìn)行驗(yàn)證等綜合探測(cè)方法，應(yīng)用“掘進(jìn)和探放水并行”模式，既能確保巷道安全快速掘進(jìn)，又能達(dá)到放水消除隱患目的。

[1]于喜東.礦山地質(zhì)工[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：322-326.

[2]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局宣傳教育中心.煤礦探放水作業(yè)操作資格培訓(xùn)考核教材[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：139-149.

[3]賀潤(rùn)山.瞬變電磁法在煤礦富水性超前探測(cè)中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2013(9)：69-72.

Application of Comprehensive Detection Method for Goaf Water in Tunnelling of Xiegou Coal Mine

QU Lei

Small coal mine goaf water is a major potential safety hazard in coal mine production. In order to eliminate the threats of goaf water to 15 panel roadway advancing in Yangping coal mine. Adopting comprehensive detection method, which includes ground and underground coal mine geophysical prospecting, drilling and geochemical exploration. In the meantime, optimizes the water exploration design according to the roadway hydrogeological conditions, adopts the management model of tunnelling and surveying water. Ensures 15 panel roadway advancing in place safely and quickly, and 110 000 cubic meter goaf water from Yangping coal mine has been released. Finally, the threats of goal water has been eliminated, and the mining plan of Xiegou coal mine has been optimized.

Comprehensive detection; Goaf; Seeper; Hydrogeological conditions; Tunneling

2016-04-19

渠磊(1987—)，男，山西祁縣人，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事地質(zhì)測(cè)量工作

(E-mail)493179024@qq.com

TD166

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1672-0652(2016)05-0019-03