煤矿井下防水技术应用研究

摘要：针对北辛窑煤业井下综采作业时采空区分布范围广、存在大量积水，给煤矿井下的综采作业安全带来严重隐患的现状，采用高密度电法对井下采空区的积水情况进行勘探，综合运用采空区地面抽水及煤矿井下采空区泄水孔疏水的防水技术，实现了对采空区积水的有效治理。

关键词：综合防水；高密度电法；地面抽水；泄水孔

北辛窑煤业2102巷四周采空区内有大量的奥陶系石灰岩含水层，根据地质探查报告显示该区域岩性为深灰色厚层石灰岩白云质灰岩间夹薄层泥灰岩，底部有一层厚约2m左右的灰黄色、灰色角砾状灰岩，不稳定，灰岩顶面以下40~60m、70~80m段，岩芯破碎，岩溶裂隙发育，可见有5~10mm小溶洞。区域内的奥陶系灰岩厚度220m左右，含水层厚度50~80m。在综采作业过程中由于综采扰动、顶板断裂等原因经常导致采空区出现涌水现象，给井下的综采作业安全造成了巨大的隐患。因此北辛窑煤业安全领导小组，提出针对井下具体情况，以优化采空区积水探测精度和探测效率为重点，综合利用地面抽水和井下打孔疏水的方案，保证井下综采作业安全。根据实际应用表明，采用高密度电法对井下采空区的积水情况进行勘探可将探测效率提升60%以上，采用采空区地面抽水及煤矿井下采空区泄水孔疏水的综合防水技术能够将井下排水效率提升20%以上，有力保障了井下综采作业的安全性。目前该探测和综合防水技术方案已在北辛窑煤业得到了广泛的应用，取得了极好的应用效果。

1高密度电法探测方案

高密度电法又称高密度电阻率法，是一种阵列勘探方法，它以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流分布规律。测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于观测剖面的各测点上,然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集,对地下空洞及积水探测具有较好的探测效果[1]。由于电流传导过程中的衰减特性，因此传统的高密度电阻率法对深层地质情况的探测准确性不足。为了改善该缺陷，安全领导小组经过长期试验验证提出了采用矩形MN-B及A-MN交叉探测模式。在进行地质状态探测时，首先利用MN-B探测方案，MN始终处于稳定模式，保持B逐级向着探测方向的正前方移动，进而获取一个滚动线，然后MN转换电极，MN继续处于稳态模式，再次保持B级沿着原来的路径进行一次重复扫描，获取滚动线，获取一个初步的扫描探测结果。然后利用A-MN探测模式，MN始终处于稳定模式，保持A逐级向着探测方向的正前方移动，进而获取一个滚动线，将探测结果和MN-B探测结果进行对比，获取对探测区域的最终判断状态。高密度电阻率法探测原理示意图如图1所示。高密度电阻率法[2]在实际使用过程中需要根据井下的实际地质情况进行电极的布点。根据实际验证，在布点时采用矩形布点方案具有较好的扫描效果，在探测方向上每排之间间隔3m左右，每排测点之间间隔0.5m左右，能够获得最优的清晰度。根据在北辛窑煤业的实际应用，在布设时需2名人员，在7h内完成了探测区域内的所有测点布设和扫描处理，共计探测出6个采空区域，总积水量约为763.7m³。探测的效率比传统探测方案提升了60%以上，而且对空洞位置和给水区域的探测精确度达到了±1m，满足了井下的探测需求。

2地面钻孔抽水

在6个采空区域内，有4个采空区域距离地面的深度小于200m，且含水量约为538.6m³。在井下实施排水的方案存在着较大的危险性，因此综合评估后采用了地面钻孔抽水的技术方案。在地面上首先建立矿井水水质处理池，然后利用KQW70-8-7.5型排水泵将水从采空区抽出到地面的水质处理池内，水质处理池的容积约500m³。在水质处理池内进行过滤、脱硫等处理后，使其达到自然排放标准，然后作为厂区内的生产、生活用水，实现了水资源的二次利用，降低了厂区的用水成本。由图2可知，该地面抽水钻孔结构采用了直径递减式结构，分为基本钻孔和抽水段钻孔。基本钻孔的直径为346mm，钻进后嵌入直径为273mm的止水套管。在套管和基本钻孔之间采用高强度水泥灌浆料进行密封固定，防止在抽水时候上方出现漏水和垮落。基本孔的长度为打到基岩4m为止。抽水段的钻孔直径设置为129mm，满足在抽水过程中积水内所含有的沙石的顺利通过，防止出现堵孔的情况，满足井下积水抽水连续性和安全性的需求。在钻抽水段钻孔时，钻进到离积水层约3m左右处需先停止钻进，待其他辅助设备均准备完成后再钻，避免出现喷水，影响生产安全。

3煤矿井下采空区泄水孔疏水及应用效果

井下2个采空区域的深度较大，而且顶板岩石为坚硬的花岗岩结构，从地面钻进的方案效率低、难度大。总积水约225m2，水量相对较小，地面抽水的方案经济性较差。因此北辛窑煤业采用了煤矿井下采空区泄水孔疏水的方案。井下钻孔后将水直接排入到井下排水沟内，通过排水沟排入到水仓，再通过排水系统排出到地面上。在对井下采空区积水区域进行钻孔设置时，需要根据积水的情况合理确定钻孔的数量。一般积水量小于50m³的只需一个钻孔即可，超过50m³后需设置3个以上的钻孔[4]，以加快排水的速度。根据北辛窑煤业井下的实际情况，选择在积水区域设置3个钻孔，满足快速排水的需求。该排水孔设置结构如图3所示。由图3可知，在井下采空积水区域设置了3个排水口，采用了全孔无芯钻进的方案。钻孔选择在井下岩壁坚硬的区域，防止在钻进过程中的垮落，影响钻孔安全。排水孔的内径设置为180mm，钻孔后设置一个孔口套管，孔口套管和钻孔之间采用水泥封死。待水泥凝固后对封堵效果进行打压验证，实验压力设置为3.2MPa，保压时间为30min，确认孔口套管周围无漏水后才能打通钻孔，进行排水作业。根据在北辛窑煤业的实际验证，对井下6个采空区538.6m³的给水进行排空作业。采用地面排水和井下钻孔排水相结合的方案，能够将排水的效率提升20%以上，将排水成本降低24%以上，显著地增加了排水的经济性，排水效果突出，确保了2102巷井下综采作业的安全性。

4结论

针对北辛窑煤业采空区分布范围广、存在大量积水，给煤矿井下的综采作业安全带来严重隐患的现状，北辛窑煤业采用高密度电法对井下采空区的积水情况进行勘探，综合运用采空区地面抽水及煤矿井下采空区泄水孔疏水的方案对积水进行控制，结果表明：（1）高密度电阻率法探测的效率比传统探测方案提升了60%以上，而且对空洞位置和给水区域的探测精确度达到了±1m，满足了井下的探测需求。（2）采用地面抽水和井下钻孔排水相结合的方案，能够将排水的效率提升20%以上，将排水成本降低24%以上，显著地增加了排水的经济性，排水效果突出，极大地增强了2102巷井下综采作业的安全性。

【参考文献】

［1］黄万朋，高延法，王波，等.覆岩组合结构下导水裂隙带演化规律与发育高度分析[J].采矿与安全工程学报，2017，34（02）：330-335.

［2］杨建，刘基，靳德武，等.有机-无机联合矿井突水水源判别方法[J].煤炭学报，2018，43（10）：2886-2894.

［3］方刚，夏玉成.柴沟矿薄基岩顶巨厚煤层过沟开采防治水技术[J].西安科技大学学报，2018，38（05）：758-766.

［4］许延春，杜明泽，李江华，等.水压作用下防砂安全煤岩柱失稳机理及留设方法[J].煤炭学报，2017，42（02）：328-334.

作者：李潇 单位：大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司