煤礦井下綜合防水技術(shù)的應(yīng)用研究

李 瀟

（大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036702）

北辛窯煤業(yè)2102 巷四周采空區(qū)內(nèi)有大量的奧陶系石灰?guī)r含水層，根據(jù)地質(zhì)探查報告顯示該區(qū)域巖性為深灰色厚層石灰?guī)r白云質(zhì)灰?guī)r間夾薄層泥灰?guī)r，底部有一層厚約2 m 左右的灰黃色、灰色角礫狀灰?guī)r，不穩(wěn)定，灰?guī)r頂面以下40～60 m、70～80 m段，巖芯破碎，巖溶裂隙發(fā)育，可見有5～10 mm 小溶洞。區(qū)域內(nèi)的奧陶系灰?guī)r厚度220 m 左右，含水層厚度50～80 m。在綜采作業(yè)過程中由于綜采擾動、頂板斷裂等原因經(jīng)常導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，給井下的綜采作業(yè)安全造成了巨大的隱患。因此北辛窯煤業(yè)安全領(lǐng)導(dǎo)小組，提出針對井下具體情況，以優(yōu)化采空區(qū)積水探測精度和探測效率為重點，綜合利用地面抽水和井下打孔疏水的方案，保證井下綜采作業(yè)安全。根據(jù)實際應(yīng)用表明，采用高密度電法對井下采空區(qū)的積水情況進(jìn)行勘探可將探測效率提升60%以上，采用采空區(qū)地面抽水及煤礦井下采空區(qū)泄水孔疏水的綜合防水技術(shù)能夠?qū)⒕屡潘侍嵘?0%以上，有力保障了井下綜采作業(yè)的安全性。目前該探測和綜合防水技術(shù)方案已在北辛窯煤業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了極好的應(yīng)用效果。

1 高密度電法探測方案

高密度電法又稱高密度電阻率法，是一種陣列勘探方法，它以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律。測量時只需將全部電極( 幾十至上百根) 置于觀測剖面的各測點上, 然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集, 對地下空洞及積水探測具有較好的探測效果[1]。

由于電流傳導(dǎo)過程中的衰減特性，因此傳統(tǒng)的高密度電阻率法對深層地質(zhì)情況的探測準(zhǔn)確性不足。為了改善該缺陷，安全領(lǐng)導(dǎo)小組經(jīng)過長期試驗驗證提出了采用矩形MN-B 及A-MN 交叉探測模式。在進(jìn)行地質(zhì)狀態(tài)探測時，首先利用MN-B 探測方案，MN 始終處于穩(wěn)定模式，保持B 逐級向著探測方向的正前方移動，進(jìn)而獲取一個滾動線，然后MN 轉(zhuǎn)換電極，MN 繼續(xù)處于穩(wěn)態(tài)模式，再次保持B 級沿著原來的路徑進(jìn)行一次重復(fù)掃描，獲取滾動線，獲取一個初步的掃描探測結(jié)果。然后利用A-MN 探測模式，MN 始終處于穩(wěn)定模式，保持A 逐級向著探測方向的正前方移動，進(jìn)而獲取一個滾動線，將探測結(jié)果和MN-B 探測結(jié)果進(jìn)行對比，獲取對探測區(qū)域的最終判斷狀態(tài)。高密度電阻率法探測原理示意圖如圖1 所示。

圖1 高密度電阻率法探測原理示意圖

高密度電阻率法[2]在實際使用過程中需要根據(jù)井下的實際地質(zhì)情況進(jìn)行電極的布點。根據(jù)實際驗證，在布點時采用矩形布點方案具有較好的掃描效果，在探測方向上每排之間間隔3 m 左右，每排測點之間間隔0.5 m 左右，能夠獲得最優(yōu)的清晰度。根據(jù)在北辛窯煤業(yè)的實際應(yīng)用，在布設(shè)時需2 名人員，在7 h 內(nèi)完成了探測區(qū)域內(nèi)的所有測點布設(shè)和掃描處理，共計探測出6 個采空區(qū)域，總積水量約為763.7 m3。探測的效率比傳統(tǒng)探測方案提升了60%以上，而且對空洞位置和給水區(qū)域的探測精確度達(dá)到了±1 m，滿足了井下的探測需求。

2 地面鉆孔抽水

在6 個采空區(qū)域內(nèi)，有4 個采空區(qū)域距離地面的深度小于200 m，且含水量約為538.6 m3。在井下實施排水的方案存在著較大的危險性，因此綜合評估后采用了地面鉆孔抽水的技術(shù)方案。在地面上首先建立礦井水水質(zhì)處理池，然后利用KQW70-8-7.5 型排水泵將水從采空區(qū)抽出到地面的水質(zhì)處理池內(nèi)，水質(zhì)處理池的容積約500 m3。在水質(zhì)處理池內(nèi)進(jìn)行過濾、脫硫等處理后，使其達(dá)到自然排放標(biāo)準(zhǔn)，然后作為廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)、生活用水，實現(xiàn)了水資源的二次利用，降低了廠區(qū)的用水成本。

地面抽水鉆孔的結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 地面抽水鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該地面抽水鉆孔結(jié)構(gòu)采用了直徑遞減式結(jié)構(gòu)，分為基本鉆孔和抽水段鉆孔。基本鉆孔的直徑為346 mm，鉆進(jìn)后嵌入直徑為273 mm 的止水套管。在套管和基本鉆孔之間采用高強度水泥灌漿料進(jìn)行密封固定，防止在抽水時候上方出現(xiàn)漏水和垮落。基本孔的長度為打到基巖4 m 為止。抽水段的鉆孔直徑設(shè)置為129 mm，滿足在抽水過程中積水內(nèi)所含有的沙石的順利通過，防止出現(xiàn)堵孔的情況，滿足井下積水抽水連續(xù)性和安全性的需求。在鉆抽水段鉆孔時，鉆進(jìn)到離積水層約3 m 左右處需先停止鉆進(jìn)，待其他輔助設(shè)備均準(zhǔn)備完成后再鉆，避免出現(xiàn)噴水，影響生產(chǎn)安全。

3 煤礦井下采空區(qū)泄水孔疏水及應(yīng)用效果

井下2 個采空區(qū)域的深度較大，而且頂板巖石為堅硬的花崗巖結(jié)構(gòu)，從地面鉆進(jìn)的方案效率低、難度大。總積水約225 m2，水量相對較小，地面抽水的方案經(jīng)濟(jì)性較差。因此北辛窯煤業(yè)采用了煤礦井下采空區(qū)泄水孔疏水的方案。井下鉆孔后將水直接排入到井下排水溝內(nèi)，通過排水溝排入到水倉，再通過排水系統(tǒng)排出到地面上。在對井下采空區(qū)積水區(qū)域進(jìn)行鉆孔設(shè)置時，需要根據(jù)積水的情況合理確定鉆孔的數(shù)量。一般積水量小于50 m3的只需一個鉆孔即可，超過50 m3后需設(shè)置3 個以上的鉆孔[4]，以加快排水的速度。根據(jù)北辛窯煤業(yè)井下的實際情況，選擇在積水區(qū)域設(shè)置3 個鉆孔，滿足快速排水的需求。該排水孔設(shè)置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井下采空區(qū)泄水孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，在井下采空積水區(qū)域設(shè)置了3 個排水口，采用了全孔無芯鉆進(jìn)的方案。鉆孔選擇在井下巖壁堅硬的區(qū)域，防止在鉆進(jìn)過程中的垮落，影響鉆孔安全。排水孔的內(nèi)徑設(shè)置為180 mm，鉆孔后設(shè)置一個孔口套管，孔口套管和鉆孔之間采用水泥封死。待水泥凝固后對封堵效果進(jìn)行打壓驗證，實驗壓力設(shè)置為3.2 MPa，保壓時間為30 min，確認(rèn)孔口套管周圍無漏水后才能打通鉆孔，進(jìn)行排水作業(yè)。

根據(jù)在北辛窯煤業(yè)的實際驗證，對井下6 個采空區(qū)538.6 m3的給水進(jìn)行排空作業(yè)。采用地面排水和井下鉆孔排水相結(jié)合的方案，能夠?qū)⑴潘男侍嵘?0%以上，將排水成本降低24%以上，顯著地增加了排水的經(jīng)濟(jì)性，排水效果突出，確保了2102 巷井下綜采作業(yè)的安全性。

4 結(jié)論

針對北辛窯煤業(yè)采空區(qū)分布范圍廣、存在大量積水，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來嚴(yán)重隱患的現(xiàn)狀，北辛窯煤業(yè)采用高密度電法對井下采空區(qū)的積水情況進(jìn)行勘探，綜合運用采空區(qū)地面抽水及煤礦井下采空區(qū)泄水孔疏水的方案對積水進(jìn)行控制，結(jié)果表明：

（1）高密度電阻率法探測的效率比傳統(tǒng)探測方案提升了60%以上，而且對空洞位置和給水區(qū)域的探測精確度達(dá)到了±1 m，滿足了井下的探測需求。

（2）采用地面抽水和井下鉆孔排水相結(jié)合的方案，能夠?qū)⑴潘男侍嵘?0%以上，將排水成本降低24%以上，顯著地增加了排水的經(jīng)濟(jì)性，排水效果突出，極大地增強了2102 巷井下綜采作業(yè)的安全性。