张利兵

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西 大同 037003）

水灾事故是煤矿生产中常见灾害事故之一。水灾事故一旦发生，既可导致作业人员的伤亡，也可造成井下设备毁坏，严重影响煤矿的安全高效生产。如2010年3月28日，山西王家岭透水事故造成38人遇难，直接经济损失高达五千万元。因此，矿井水灾事故的防治工作，对于确保生产具有十分重要的意义。

大同地区煤层为侏罗系和石炭系双系煤层，其中上部侏罗系大同组含煤多达15层，地质条件非常复杂，给物探工作带来了极大的不利影响，要探测含水情况，确保探测精度，单一的物探手段无法满足防治水工作要求，因此必须采用多种不同探测手段相结合、井上井下综合探测的方法。在煤矿水害事故影响重大的大背景下，石炭纪放顶煤工作面老空水的有效探放，能够很好地降低事故发生概率，提高安全效益。

本文以同忻煤矿为例，介绍多种不同探测方法，并通过分析资料和实际调查，建立地面与井下综合探测以及立体防治体系，该体系的建立对于及时排除水患、优化排水系统，确保煤炭安全高效生产有着明显作用。

1 矿井概述

同煤国电同忻煤矿有限公司是由大同煤矿集团有限责任公司（控股72%）和国电电力（控股28%）共同投资建设的千万吨级特大型现代化矿井之一。同忻煤矿井田面积85.1242km2，设计生产能力1000万t/a，矿井服务年限62.4a，可采储量14.4亿t，开拓方式为斜、立井混合式。同忻井田位于大同煤田北东部，井田内侏罗系经过60多年的开采已趋于枯竭。同忻煤矿是第一批批准延伸开采石炭二叠系煤层的矿井。主采煤层为石炭系3～5#层、8#层。其中，3～5#层为一水平，煤层平均厚度约13.67m，8#层为二水平，平均煤厚约3.42m。矿井地质条件比较简单，水文地质条件中等，矿井正常绝对涌水量178m3/h，最大涌水量263m3/h。开采方法为综合机械化放顶煤一次采全高开采，采场空间比较大，双系煤层之间联系复杂，采空区赋存水问题严重。从水害情况来看，上覆采空区积水面积达1146.729万m2，积水量达932.7715万m3。

根据分析及现场勘查，存在的主要探测问题有以下三点：（1）侏罗系煤层采空区较多，关系错综复杂，给探测工作带来非常大的困难；（2）钻探施工要穿过采空区进行，难度较大；（3）上覆侏罗系煤层多采用刀柱开采，采空区积水赋存十分复杂。为解决这些困难，提高探测精度和技术水平，决定采用多手段立体探放技术。

2 采空区积水灾害探测关键技术分析

2.1 地面复合源瞬变电磁勘探技术

传统的通过地面探测采空区积水的方法是大回线磁性源瞬变电磁法，其发射回线一般为单匝大矩形回线，遇到异常体时，电流瞬间被关断，随即被激励其感应涡流场维持电流断开前的磁场，经过一系列转化后，信号接收器接收到感应电动势，从而判断工作面前方的水文地质情况，该方法能够较好地对充水采空区进行探测，但是对于多层采空区垂直分布的探测效果一般。因此，可以在传统方法的基础上，增加电性源激励技术，该技术原理与大回线磁性源瞬变电磁法类似，但是可以进行垂直方向探测。这样通过两种不同的技术的配合和互补，提高多层采空区探测精度和分辨能力。地面复合源瞬变电磁勘探技术说明示意图如图1所示。

图1 地面复合源瞬变电磁技术说明

2.2 地面--井下巷道瞬变电磁探测技术

采用地面—井下巷道瞬变电磁探测技术可以使探测精度得到大幅度提高。该技术为在地面铺设发射回线建立人工场，利用大线圈强电流提高探测精度，然后在井下回采巷道内布置接收点，降低信号干扰。

2.3 穿越采空区风动潜孔锤钻进技术

探放水钻孔特别是大孔径抽水钻孔经常要穿过采空区，使用传统钻进技术常发生卡钻、埋钻等现象。而风动潜孔锤钻进技术的工作原理是利用压缩空气带动孔内冲击器，通过冲击——回转产生的动力将岩石击碎，并通过套管和高压气流带走岩粉，能够有效避免卡钻、埋钻情况的发生。其结构示意图如图2所示。

图2 风动潜孔锤钻进技术示意图

3 采空区水害防治体系研究

针对前文介绍的同忻煤矿双系煤层防治水存在的难题，通过对关键技术进行分析，决定采用多种手段，建立上下立体交叉矿井水害防治体系。下面对该体系进行具体情况说明，体系示意图如图3所示。

图3 同忻煤矿上下立体交叉矿井水害防治体系示意图

3.1 体系组成说明

（1）地面钻孔贯通采空区直排水

如图3所示，首先根据地面物探的结果和相关采掘情况等资料，进行地面探放水孔的施工工作。钻孔开孔孔径Φ133mm，终孔孔径Φ94mm，下入Φ89mm套管，在套管口焊接法兰盘，并与Φ219mm放水管路连接疏放采空区积水。同忻煤矿于2011年11月至2014年5月，共施工了9个地面放水孔，累计排放采空区积水404.5万m3。

（2）井下深孔探放

采用CMS1-6000/55煤矿深孔钻车，探测上覆侏罗系大同组14#、12#、11#煤层房柱工作面采空区和废弃大巷，孔深240m，开孔孔径Φ143mm，套管Φ108mm，终孔孔径Φ80mm，孔壁进行注浆封堵，孔口安设防水闸阀。同忻矿共施工46个井下探放水孔，累计疏放采空区积水5万m3。

（3）地面大孔径抽水井抽放

为了减少矿井主排水系统承受的负担，利用地面大孔径抽水井抽放上覆侏罗系采空区水。同忻煤矿共施工3个地面抽水孔，其中1个孔径Φ550mm，2个孔径Φ350mm，抽放采空区积水6.1万m3。

（4）联合排水

由于开采过程中，矿井距离较近，可以从两个矿井之间的联系入手，避免水害事故发生。同忻矿在进行相邻区域水害治理中，利用同煤集团同家梁矿现有的排水系统，在其五号暗斜井安装三台功率55kW水泵，通过设置临时水仓处理积水，累计排放采空区积水290万m3。

3.2 应用效果

（1）采用地面综合物探与井下物探相结合的综合探查技术，能够准确地探查采空区积水，精细化判断可能存在的异常范围，为防治水工作提供更加准确，也更加可靠的技术支撑，既降低了成本，又确保了煤矿安全生产。

（2）新的综合防治水体系，优化和升级了石炭系放顶煤工作面单一、简单的水患探测和防治技术，防治水工作取得了显著成效。该技术可以为类似工作面的防治水提供技术支撑，为防治水和煤炭安全开采提供保障。

（3）该矿利用综合排放水体系，累计疏放采空区积水720.2万m3。有效遏制了透水事故的发生。实践证明，排放水效果较好。

4 总结

同忻煤矿开采双系煤层，采空区含水情况比较复杂，为了解决现场面临的困难，对关键探测技术进行了分析和优化，同时建立了上下立体交叉的防治水体系。防治水体系通过地面钻孔贯通采空区直排水、井下深孔探放、地面大孔径抽水井抽放以及侏罗系老矿井分流等综合手段，有效解决了排水问题，并降低施工工程量，提高探放水作业效率。