定向與常規鉆探相結合技術在老空水害防治中的應用

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，102209；2.國家能源集團烏海能源有限責任公司五虎山煤礦，內蒙古自治區烏海市,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，內蒙古自治區烏海市，016000)

烏海礦區開采歷史悠久，歷史上小煤窯數量多，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、賦存分布規律復雜不易掌握，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象[3]，防治水工作任務重、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、作業曲率半徑較大，常規鉆孔探查范圍有限、存在盲區、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鉆探結合的技術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、提升探查效果等優點[3-7]。因此，采用定向鉆探和常規鉆探結合的技術是老空水害防治的重要技術，是解決礦井老空水害、實現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，具有很好的推廣應用前景[3，8-12]。

1 定向鉆探和常規鉆探相結合技術的優勢

定向鉆探和常規鉆探相結合的技術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、鉆探區域盲區小、可以準確判斷各異常點的鉆進高程和位置、對探測區域分析提供準確數據的特點。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的煤巖層進行探查，圈出工作面采動影響范圍內的老空區邊界線或工作面安全線，再利用常規鉆機重量小、移動靈活、現場施工條件要求低的特點，進一步使用常規鉆孔對定向鉆探遺留的局部盲區和重點防范部位進行補充鉆探，消除盲區內存在老空積水的風險，確保工作面采掘安全。

2 定向鉆探和常規鉆探相結合技術的應用

2.1 五虎山煤礦應用

五虎山煤礦位于內蒙古自治區烏海市，行政隸屬于烏海市烏達區，賀蘭山煤田烏達礦區南部，井田南部分布大量小煤窯采空區，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，對井田南翼9號、10號、12號煤層工作面安全回采構成嚴重威脅。

2.1.1 探放水設計及工程實施

五虎山煤礦目前主要開采12號煤層，根據以往調查資料，井田南翼緯線73 800以南區域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出水；定向鉆孔施工完成后，在1206工作面布設6個常規鉆孔對定向鉆孔遺留的盲區進行補充探查，消除盲區，保證工作面影響范圍內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見表1。

表1 12號煤層探放水鉆孔參數

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的留設寬度安全要求；在設計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決策數據，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 公烏素煤礦應用

公烏素煤礦位于內蒙古自治區烏海市海南區境內，卓子山煤田公烏素礦區中部，井田露頭邊緣存在多個合法小煤窯，9號、12號、16號煤層均有剝挖現象，小煤窯開采方式多為房柱式開采，南采區16號煤層021601工作面以北區域及16號軌道下山以東區域曾有小煤窯開采，采空區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，主要采用沿煤層定向鉆探對小煤窯水進行探查，個別地段采用常規鉆探進行補充探查。

2.2.1 探放水設計及工程實施

公烏素煤礦目前主要開采16號煤層，正在掘進的南采區16號軌道下山和021601工作面回風巷受東北側小煤窯水害威脅，為查清16號煤層021601回風北聯巷北側及工作面東側小煤窯情況，以設計巷道留設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，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個常規鉆孔，消除定向鉆孔探查遺留的盲區，確保021601回風北聯巷掘進安全。施工的2個常規鉆孔均未揭露小煤窯巷道。021601工作面探放水鉆孔參數見表2。

表2 021601工作面探放水鉆孔參數

2.2.2 探查成果

本次探查結果表明，+1 000 m大巷電瓶車充電硐室鉆場施工的1號鉆孔設計距021601回風巷右幫30、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巷鉆場施工的2個常規鉆孔均未見采空區，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 利民煤礦應用

利民煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克旗境內，礦區東北部露頭區與多個小煤窯相鄰，周邊小煤窯與利民煤礦同采16號煤層，現已全部關閉，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成威脅。

2.3.1 探放水設計及工程實施

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最北部，受東北部安利煤礦小井越界及采空區積水威脅。為給16號煤層011604工作面設計提供依據，同時確保巷道掘進安全，在原設計011604回風巷開口位置設計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，設計3個常規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見表3。

表3 011604工作面探放水主要鉆孔參數

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。根據探查結果，工作面前670 m范圍011604回風巷位置已由原來位置向井田內回退50 m，670～1 470 m范圍調整了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 結論

(1)常規鉆孔與定向鉆孔相結合的探查技術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用，解除了五虎山煤礦01采區南翼工作面、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)兩種探查技術的有效結合，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。

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