孫桂榮

0 概況

同忻礦位于大同市西南約20 km，居大同礦區(qū)東北部，井田北東、南西方向長約12 km，北西、南東寬約8 km，面積96.89 km2。目前該礦主采石炭二疊紀3-5號特厚煤層，煤層平均厚度13.68 m，賦存基本穩(wěn)定，傾角平緩，煤炭儲量豐富，井田內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單。但是由于井田內(nèi)上覆侏羅系煤層的開采，形成了極為復雜的老空積水區(qū)，成為下組煤開采的最大隱患。

1 井田充水因素分析

1.1 大氣降水和地表水體

井田地區(qū)屬于干旱、半干旱氣候，雨季集中分布在7、8月份，地表徑流小，僅有口泉河與忻州窯溝流經(jīng)地表。由于石炭-二疊系僅在東部邊緣呈狹窄條帶狀出露，而且地勢高，地形有利于自然排水，大氣降水及地表水不會成為礦井直接充水因素。

1.2 地下水

（1）山西組含水層

賦存砂巖裂隙承壓水，是3-5號煤層直接充水含水層，據(jù)礦井涌水量及水文孔抽水試驗資料，山西組含水層富水性弱，對礦井充水影響小。

（2）太原組含水層

賦存砂巖裂隙承壓水，是3-5號煤層及8號煤層直接充水含水層，據(jù)礦井涌水量及水文孔抽水試驗資料，太原組含水層富水性弱，對礦井充水影響小。

（3）奧陶系含水層

主斜井及鉆孔資料揭露奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育不均，富水性較弱，水力聯(lián)系較差，經(jīng)突水系數(shù)評價結(jié)果表明，除8號煤層在井田北部有局部突水危險外，其余區(qū)域均為安全區(qū)[1]。

1.3 老空區(qū)積水

井田上覆開采侏羅系煤層的礦井經(jīng)過幾十年的開采，資源已近枯竭，煤層采后形成了大面積的采空區(qū)遍布整個煤田，在同忻井田范圍內(nèi)形成了極為復雜的老（窯）采空積水區(qū)[2]，其積水范圍和積水量極難掌握，給同忻煤礦水害防治工作帶來很大困難。

2 積水綜合探測技術

2.1 地面物探

同忻礦從09年開始利用地面物探技術先后在一盤區(qū)6個工作面(8100工作面、8103工作面、8104工作面、8105工作面、8106工作面、8107工作面)進行上覆采空積水探測，對主盤區(qū)大巷，北二盤區(qū)三條大巷也進行了地面物探。針對各個工作面上覆侏羅系采空積水異常區(qū)施工4個地面驗證孔，共計地面鉆探驗證孔24個，其中8100工作面放水12 000 m3，其它驗證孔其本都是見空無水。

2013年對北二盤區(qū)8203工作面上覆侏羅系煤層采空積水情況進行了地面物探，共探測出2處積水異常區(qū)，共計積水量為558 829 m3，其中尾部積水量估算511 378 m3，7月份已施工1個探測孔，探到同家梁14、15號層采空積水水位23 m，積水情況與物探結(jié)果基本吻合。

2.2 井下物探

井下直流電法超前探是一種井下電法探測的新技術。超前勘探前方含水異常一般采用“三點源法”，本文從施工方法、數(shù)據(jù)解釋進行了創(chuàng)新，采用了“七點源法”施工方法[3-4]，見圖1，雖然工程量增加一倍，但相比“三點源法有以下優(yōu)點：a.增加了疊加次數(shù)（七次）b.排除巷道迎頭左右、后方的影響c.提高了探測精度。

圖1 七點源法施工布置

工作面回采前，通過可控源音頻大地電磁法[5-6]對上覆采空區(qū)積水與含水層進行探查，掌握水源分布位置、積水量等狀態(tài)。再采取坑透措施，探測導水構(gòu)造。

2.3 鉆孔探測

同忻礦現(xiàn)采C3-5號煤層，與上覆侏羅系煤層層間距約200 m，超過井下施工探放水孔的有效距離，通過分析侏羅系煤層采掘資料初步確定采空積水區(qū)，選擇合適的位置施工地面探孔，可以確定采空區(qū)是否積水及積水標高，進而估算積水量。

2011年9月在同忻礦北二盤區(qū)對應地表施工了3個地面探放水孔，測得15號層積水高度30 m，初步估算同家梁礦11、14、15號層積水共158萬m3。2013年7月份在北二盤區(qū)8203面從地面施工了一個探測孔，探到同家梁14、15號層采空積水水位23 m，根據(jù)水位重新估算了剩余積水量100萬m3。2012年4月在北一盤區(qū)施工地面探孔6個，水位標高24 m，估算3、9、11、14號層積水224萬m3。

針對上述應用案例，分別采用5M預評價法和一般評估法進行評價。一般評估法采用文獻[19]所制定的由設備和管理要素建立的“信號設備評價表”作為參考[19]，并按照評價表的定性定量指標采用專家打分法進行預評價。兩種方法實施效果對比如圖2所示。

對于掘進巷道，根據(jù)生產(chǎn)需要靈活采取長探或短探。長探時，采用3孔半扇形布置，孔口設置在距巷道底板高1.5 m處，孔間距0.4 m，單孔深度270 m，超前距30 m，幫距20 m，允許掘進距離240 m；短探時，采用3孔扇形布置，孔口距離頂板1.5 m，孔間距0.4 m，單孔深度80 m，超前距30 m，幫距20 m，允許掘進距離50 m，如圖2。

圖2 鉆探短探施工示意

對于回采工作面，則根據(jù)上覆侏羅系已采掘資料，在地表施工3-4個探水孔至J15號層底板，開孔Φ108 mm，終孔Φ89 mm。然后采用電測措施，根據(jù)探測結(jié)果，確認工作面上覆若無水患后，進行封孔，若有水患威脅，則須查明采空區(qū)積水位置、積水量等狀況，于積水區(qū)安裝花管，進行放水。

2.4 化探跟進

由于地下水源較多，且存在水力聯(lián)系，只有準確查明水患來源，才能采取有效的防治措施。本次研究方案是依次采集地表河流水樣、上覆煤層采空區(qū)積水水樣、含水層水樣、底板灰?guī)r巖溶水樣，然后在實驗室做化學分析，測試水樣中各組分指標，主要包括：酸堿度、硬度、離子類型、礦化度、主要化學物等，從而依據(jù)組分劃分不同水質(zhì)類型。

3 綜合立體治水技術

根據(jù)同忻礦的地質(zhì)情況，創(chuàng)新性采用地面放水孔、井下孔放水、地面抽放水孔、井下侏羅系巷道排水、以及井下水倉地面大口徑直排等5種排水模式，建立了立體排水系統(tǒng)（如圖3），累積排水352萬m3。

圖3 立體排水系統(tǒng)示意

3.1 地面放水孔

由于同忻礦3-5#層與上部侏羅系礦井采空區(qū)層間距較大，且上部存在多層采空區(qū)，從井下使用傳統(tǒng)的專用探放水鉆機無法進行有效探放，且若從井下施工，由于侏羅系采空積水水頭高，水壓最大可達3 MPa～4 MPa，可能在封孔、排水管路及排水量的控制方面存在隱患。為此，采用施工地面放水孔將上覆各層采空積水引至同忻礦井下巷道中，通過礦井排水系統(tǒng)排水。首先根據(jù)前期已掌握的采空積水資料圈定積水區(qū)，選擇積水區(qū)下方有同忻礦的巷道，確定鉆孔位置，從地面施工鉆孔穿過積水區(qū)打至同忻礦井下巷道進行排水。

3.2 井下放水孔

若同忻各盤區(qū)上覆采積水都通過地面放水孔引入井下排水，勢必給同忻礦主排水系統(tǒng)造成巨大壓力，同時需要巷道掘進至放水孔位置，可能延誤放水工作。為緩解同忻礦排水壓力，通過施工井下放水孔將上覆侏羅系采空區(qū)積水引至煤峪口等侏羅系礦井巷道中，通過該礦排水系統(tǒng)排水。同忻北一盤區(qū)上覆煤峪口3、9、11、14號層采空積水，現(xiàn)正開拓煤峪口礦15號層406盤區(qū)，計劃通過施工井下放水孔，將11、14號層積水引入煤峪口礦排放。條件允許時，可以使用井下千米水平鉆實現(xiàn)超長距離放水孔施工。

3.3 地面抽放水孔

不論是施工地面探水孔還是井下探水孔，其必要條件是必須有井下巷道，所以造成了部分下方無巷道的侏羅系采空區(qū)積水無法進行有效探放。另外使用地面探放水孔和井下探放水孔進行排水必須使用井下排水系統(tǒng)，目前，同忻礦上覆巨額的采空積水，緊張的接替造成排水工作壓力倍增，超過了礦井主排水系統(tǒng)能力?；谝陨系亩喾矫鎲栴}，在積水區(qū)通過施工大口徑地面抽水孔，將采空積水直接通過抽水孔排至地面可以一定程度上減輕排水壓力。2013年已在煤峪口15號層406盤區(qū)上部設計抽水孔4個，完成施工1個，2014年又增加了5個。

3.4 井下侏羅系巷道排水

同忻礦上覆侏羅系采區(qū)積水有條件從該礦巷道直接排放。同家梁15號層406盤區(qū)5號層暗斜井便具備這一條件，為此在5#暗斜井配備2臺50 kW潛水泵，增加4寸排水管2趟，日排水能力達2 100 m3，現(xiàn)已累計排水103萬方m3。

3.5 直排系統(tǒng)建立

直排系統(tǒng)主要由井下水倉、井下排水泵、管路、地面直排鉆孔組成，其結(jié)構(gòu)原理比較簡單。通過施工地面鉆孔打至井下水倉，然后使用管路將排水泵與直排鉆孔對接，將井下水直接通過直排鉆孔排出地面，不占用主排系統(tǒng)能力，見圖4。特別是對于井下探放出的老空水呈酸性時，若使用井下排水系統(tǒng)將腐蝕盤區(qū)及礦井主排系統(tǒng)，造成極大的危害。通過直排系統(tǒng)安設耐酸管路和防腐蝕泵可將酸性水直接排至地面。

圖4 直排系統(tǒng)示意

同忻礦中央水倉配備5臺MD280-65×9水泵，單臺排水能力200 m3/h，3趟273 mm排水管路，正常排水能力9 600 m/d?，F(xiàn)在北一盤區(qū)放水孔排水量約2 100 m3/d，若再增加放水孔，主排系統(tǒng)能力不足，需要建立井下直排系統(tǒng)。

目前，同忻礦直排鉆孔位置在二盤區(qū)輔運巷里程1 250 m處。同家梁直排系統(tǒng)地點在15號層406盤區(qū)巷舊水倉。煤峪口在15號層406盤區(qū)建立專門的排水系統(tǒng)，通過進風立井直排地面，均取得了良好效果。

4 結(jié)束語

通過綜合探測技術探明上覆各層采空區(qū)積水情況，準確估算了積水量，為合理部署放水工作提供了前提。進而協(xié)同各礦以綜合立體排水技術實現(xiàn)大量采空積水的及時有效排放，徹底排除采掘工作面水患，保證了同忻礦的安全生產(chǎn)。