新形勢下梧桐莊礦綜合防治水技術研究

摘要：梧桐莊礦地質類型與水文地質類型均為極復雜型，歷史曾發生過多起突水事故，且具有水壓高、水量大、水文高的特點，因此水患是威脅礦井安全生產的主要因素。文章對新形勢下梧桐莊礦綜合防治水技術進行了研究。

關鍵詞：梧桐莊礦；綜合防治水技術；快速設計施工技術；新型設備；礦產資源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD744 文章編號：1009-2374（2017）11-0280-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.141

隨著礦井步入深部開采階段，水害威脅日益加重。梧桐莊礦在經歷了礦井淹井事故后，防治水工程更加顯現出其重要性，面對這樣的新形勢，針對當前梧桐莊礦采取的防治水技術進行專項研究。

1 礦井概況

梧桐莊礦是大水礦井，水文地質條件極為復雜，歷史上曾多次發生突水事故。建礦伊始，梧桐莊礦就高度重視礦井防治水工作，將“安全第一，治水為先”作為礦井防治水方針，建立了“十步驟”的防治水技術路線并嚴格執行，連續多年保證了礦井安全生產。

2014年7月27日，182306工作面推采至距停采線80m位置時發生了底板奧灰滯后突水，最大突水量達11264m3/h，后經鉆探資料分析，突水原因為182306工作面推采位置后方煤層底板存在隱伏導水陷落柱，在承壓水和采動應力作用下，誘發該工作面底板小斷層活化導水，并與煤層下方隱伏導水陷落柱溝通，承壓水突破底板隔水層形成集中過水通道，導致采空區底板滯后突水。

在經歷7.27突水事故教訓后，在新形勢下防治水工作如何開展才能確保梧桐莊礦防治水安全就成為了擺在我們面前的一個課題。

2 礦井水文地質概況

梧桐莊井田位于鼓山復背斜之東南，構造體系主要屬新華夏系，類型以高角度正斷層為主，褶曲構造相對發育。井田內有十個含水層，從下往上依次為奧陶系灰巖含水層（Ⅰ）；石炭系太原組大青（Ⅱ）、小青（Ⅲ）、伏青（Ⅳ）、山青（Ⅴ）、野青（Ⅵ）灰巖含水層；二迭系山西組砂巖含水層（Ⅶ）、石盒子組砂巖含水層（Ⅷ）；石千峰組砂巖含水層（Ⅸ）；第三系、第四系含水層（Ⅹ）。其中Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ號含水層，因含水性差，對采煤無影響，其余含水層對煤層開采均有一定影響，其中對采煤威脅較大的含水層有奧陶系灰巖含水層（Ⅰ）、大青灰巖含水層（Ⅱ）、山伏青灰巖含水層（Ⅴ+Ⅳ）。

其中奧陶系含水層為煤系地層基底，具有巨大的動、靜水儲量。該含水層可以通過導水斷層、陷落柱和構造裂隙等地質構造補給煤系地層含水層或突入井巷，為井田煤系地層內各含水層的總補給源和威脅礦井采掘工程的水害根源。

3 新形勢下進行綜合防治水技術研究的必要性和可行性

182306工作面回采前，礦井按照“十步驟”技術路線做了大量工作，包括地面三維地震及可控源音頻大地電磁法綜合物探工作、井下瞬變電磁法和音頻電透視探測、回采前底板預注漿加固等工作，但182306仍然發生了突水事故。礦井恢復生產后，面臨著煤炭市場持續低靡、礦井采深繼續加大、水文地質條件更加復雜的形勢，做好防治水工作對確保礦井安全和發展意義重大，因此在新形勢下進行綜合防治水技術研究是十分必要的。

梧桐莊礦設立有專門的水文副礦長，下設防治水研究中心和防治水科兩個專業部門，共配備有10名專業技術人員，均為正規院校畢業。另外，礦井裝備有音頻電透視儀1臺，瞬變電磁儀2臺，直流電物探儀1臺，各類專用探放水鉆機16臺，配套泥漿泵17臺，注漿泵6臺，鉆孔測斜儀3套，地面建有2座注漿站。同時礦井常年和西安煤科院、河北工程大學、華北科技大學、重慶煤科院、惠州地質安全研究院等科研院校保持合作關系，完全具備開展綜合防治水技術研究的條件。

4 綜合防治水技術研究主要內容

4.1 綜合分析勘探資料對以往防治水工作進行總結，修編了《礦井水文地質類型劃分報告》

重新對礦井精查資料、地面物理勘探資料和礦井生產階段防治水工作成果進行分析和總結，并對歷次突水事故進行深入的剖析，根據對礦井及其周邊存在老空積水情況、礦井受采掘破壞或影響的含水層性質和富水性及補給條件、礦井涌水和突水分布規律及水量大小、煤礦開采受水害威脅程度以及防治水工作難易程度等因素，與河北工程大學合作，完成了《礦井水文地質類型劃分報告》的修編工作。

4.2 快速設計技術研究

通過對防治水工程設計中鉆孔設計相關因素的分析，利用EXCEL和CAD相結合，實現鉆孔參數的快速計算和快速繪圖，實現了以下五個方面的突破：（1）繪制出梧桐莊礦井田2#煤至下伏野青、山伏青灰巖隔水層厚度，為防治水工程精準設計提供了基礎數據；（2）給出了一次性計算50個鉆孔傾角、孔口管長度、孔深的Excel計算表格，對于設計上百個鉆孔的防治水設計，只需計算2～3次就能得出全部鉆孔設計參數；（3）給出了一次性計算50個鉆孔揭露一座灰巖、野青灰巖、山伏青灰巖含水層預計深度，對防治水工程施工、預防鉆孔出水有重要指導意義；（4）給出了快速繪制防治水工程各設計鉆孔剖面圖的方法；（5）防治水工程設計先行，梧桐莊礦防治水工程精準、快速設計方法研究，對比以往防治水工程設計中繁瑣低效的工作方法，能提高防治水技術人員工作效率和工作興趣，縮短了防治水工程設計時間，極大地提高了設計人員工作效率。

4.3 區域治理技術研究

針對采深的加大、井下防治水工作難度加大、安全系數降低的形勢，創新性地提出了“區域超前治理”防治水技術。

該技術通過引進美國雪姆鉆機、石油系統先進探測設備和水平定向鉆井技術，在地面實施定向鉆進，以探查煤層底板導水構造和奧灰含水層裂隙發育情況，并對奧灰七、八段進行注漿改造。

4.4 新型探測技術裝備研究

防治水工程質量離不開技術與裝備的保障。礦井與科研院校合作，在井下先后應用了坑透法、探水雷達、瞬變電磁、音頻電磁等探測技術，在回采前對工作面底板隱伏導水構造進行拉網式探測，本礦又自行采購了大功率全液壓鉆機、YCS-256型瞬變電磁儀等設備，并對地下水動態監測系統進行了升級，全面提高防治水施工的機械化、自動化和信息化程度，促進礦井防治水技術設備由普通向尖端轉變，減輕了職工體力勞動，提升工程施工質量和效率。

4.5 防治水工程快速施工技術研究

傳統井下鉆探施工工藝存在固管耗時長、設備和鉆具配套不合理的問題，鉆探施工工期長，工人體力消耗大，嚴重影響了防治水工程進程。

新形勢下，礦井使用全液壓動力系統配合∮73mm鉆桿和定向器，鉆進轉矩最大增至32kN，比原SGZL-3B鉆機提高12kN，鉆進速度更快，精度更準；通過采用鉆桿自卸系統，減輕了工人勞動強度，提高工作效率；通過多次試驗，成功地實現了雙液水泥漿固管，固管時間縮短了一半。

通過以上改進，鉆探施工效率得到提高，每孔工期縮短2天，超前鉆探和底板加固工期縮短，有效地緩解了生產銜接緊張與防治水任務緊張的矛盾。

4.6 鉆孔測斜技術研究

以往的防治水施工，工程質量主要依靠技術分析和工程技術人員的經驗進行控制，在本次技術研究中，充分考慮了人為因素的不確定性，通過隨鉆測斜技術，提升鉆孔探測精度。

隨鉆測斜采用無磁鉆桿配合3-Axis Digital Compass傳感器、3-Axis Digital Accelerometer傳感器和3-Axis MEMS Gyro傳感器，隨鉆確定鉆孔的傾角和方位，并通過先進的軟件擬合技術準確地描繪出鉆孔的空間軌跡，實時反饋鉆孔的傾角、方位和深度，實現對鉆孔軌跡的精確控制，實現鉆孔軌跡的可控性，極大提高鉆探注漿資料分析的準確度和科學性。

4.7 地下水動態監測技術研究

復產以來，為實現對地下水的有效監測，礦井與西安欣源公司合作，對原有地下水動態監測系統進行了升級改造。改造項目主要有主站、各個分站、溫度和壓力傳感器。經過升級改造后，監測系統接收和傳輸速率達到1200bps；信號采集模擬量輸入處理誤差小于0.5%；分站與調制解調器間傳輸距離達到了15km，分站數量減少為原來的三分之二。升級后系統與原有的水文監測系統及井上下監測設備兼容性良好，系統可靠性和穩定性都得到了極大提高。

4.8 底板探查及注漿加固技術研究

過去礦井底板加固的層位主要針對山伏青含水層和已知的導水通道，山伏青落點間距掌握為80～100m，易產生加固死角及漏洞。本次通過考察并進行技術攻關，最終確定了底板加固均勻布孔原則，縮短山伏青灰巖落點間距（由原來的100m縮短為不超過60m），進一步加密鉆孔密度，減少鉆孔探測死角。

4.9 在綜合研究的基礎上對礦井防治水技術路線進行了修改完善

礦井防治水“十步驟”的工作方法是梧桐莊多年與地下水做斗爭過程中總結出的寶貴經驗，連續多年保證了防治水安全。為適應新形勢下防治水開展需要，礦井在集團公司科技發展部指導下完成了對防治水技術路線的修改和完善。

新的防治水技術路線內容主要包括強排抗災、分區隔離、地面補充勘探、區域治理、采區水文地質條件評價、掘進工作面水文地質條件評價、工作面巷道掘進探測、工作面底板綜合物探、工作面回采前底板預注漿加固及效果檢驗、鉆孔質量控制、工作面開采前安全性評價、回采期間水文地質工作、采后總結等十三項技術。

5 結語

新形勢下礦井綜合防治水技術研究項目成功，較好地解決了以往存在的隱伏導水構造探查難和防治水工程質量控制難等問題，有利于豐富防治水手段、提高防治水工程質量和效率，更好地保障了礦井安全，近一年來為礦井解放出煤炭資源，增值創效提供了技術支持。該項目對大采深、復雜水文地質條件下巖溶水的治理和預防具有一定借鑒意義，適宜在類似水文地質條件的礦井推廣應用，其社會效益和經濟效益都十分可觀。

參考文獻

[1] 關永強，等.華北煤田陷落柱的地下水內循環形成機理[J].中國巖溶，2007，26（1）.

[2] 徐智敏.深部開采底板破壞及高承壓突水模式、前兆與防治[D].中國礦業大學，2010.

作者簡介：郭江（1989-），男，山西晉城人，冀中能源峰峰集團安全監督管理部水文地質助理工程師。

（責任編輯：秦遜玉）