煤礦井下防水技術(shù)應(yīng)用研究

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摘要：針對北辛窯煤業(yè)井下綜采作業(yè)時采空區(qū)分布范圍廣、存在大量積水，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來嚴重隱患的現(xiàn)狀，采用高密度電法對井下采空區(qū)的積水情況進行勘探，綜合運用采空區(qū)地面抽水及煤礦井下采空區(qū)泄水孔疏水的防水技術(shù)，實現(xiàn)了對采空區(qū)積水的有效治理。

關(guān)鍵詞：綜合防水；高密度電法；地面抽水；泄水孔

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2m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40~60m、70~80m段，巖芯破碎，巖溶裂隙發(fā)育，可見有5~10mm小溶洞。區(qū)域內(nèi)的奧陶系灰?guī)r厚度220m左右，含水層厚度50~80m。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，進而獲取一個滾動線，將探測結(jié)果和MN-B探測結(jié)果進行對比，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。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3m左右，每排測點之間間隔0.5m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7h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763.7m³。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)域的探測精確度達到了±1m，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200m，且含水量約為538.6m³。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500m³。在水質(zhì)處理池內(nèi)進行過濾、脫硫等處理后，使其達到自然排放標準，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。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346mm，鉆進后嵌入直徑為273mm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行密封固定，防止在抽水時候上方出現(xiàn)漏水和垮落?；究椎拈L度為打到基巖4m為止。抽水段的鉆孔直徑設(shè)置為129mm，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，鉆進到離積水層約3m左右處需先停止鉆進，待其他輔助設(shè)備均準備完成后再鉆，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)，從地面鉆進的方案效率低、難度大?？偡e水約225m2，水量相對較小，地面抽水的方案經(jīng)濟性較差。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50m³的只需一個鉆孔即可，超過50m³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。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的方案。鉆孔選擇在井下巖壁堅硬的區(qū)域，防止在鉆進過程中的垮落，影響鉆孔安全。排水孔的內(nèi)徑設(shè)置為180mm，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行打壓驗證，實驗壓力設(shè)置為3.2MPa，保壓時間為30min，確認孔口套管周圍無漏水后才能打通鉆孔，進行排水作業(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)538.6m³的給水進行排空作業(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)域的探測精確度達到了±1m，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。

【參考文獻】

［1］黃萬朋，高延法，王波，等.覆巖組合結(jié)構(gòu)下導(dǎo)水裂隙帶演化規(guī)律與發(fā)育高度分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2017，34（02）：330-335.

［2］楊建，劉基，靳德武，等.有機-無機聯(lián)合礦井突水水源判別方法[J].煤炭學(xué)報，2018，43（10）：2886-2894.

［3］方剛，夏玉成.柴溝礦薄基巖頂巨厚煤層過溝開采防治水技術(shù)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2018，38（05）：758-766.

［4］許延春，杜明澤，李江華，等.水壓作用下防砂安全煤巖柱失穩(wěn)機理及留設(shè)方法[J].煤炭學(xué)報，2017，42（02）：328-334.

作者：李瀟 單位：大同煤礦集團北辛窯煤業(yè)有限公司