15103运输顺槽掘进探放水技术分析

刘海瑞

（晋能控股煤业集团三元微子镇煤业有限公司，山西 长治 046000）

矿井水害是威胁矿井安全掘进和回采的主要灾害之一。矿井水害常见水源为老窑水、地表水、承压水。为消除矿井水害，我国专家学者对其治理技术进行了大量的研究。研究内容主要针对以下方面：①老窑水探放水防治技术。②巷道掘进过程中探放水技术。③工作面回采过程中探放水技术［1-12］。这些研究主要针对现场工程应用，关于水害机理研究以及针对不同矿井特性的治理技术措施研究还有待进一步完善。三元微子镇煤矿15103运输顺槽掘进过程中出现水量涌出异常，为解决该问题，对该巷道掘进区域水文地质情况进行分析，采用物探技术结合钻探技术对该掘进工作面水害情况进行探测，针对水害情况施工钻孔探放水，并进行后期效果考察。研究方法和研究结论对于类似矿井相似条件的掘进工作面水害防治具有一定指导意义。

1 工程概况

三元微子镇煤矿主采煤层为15#煤层，为太原组下部，煤层赋存稳定，平均厚度4 m，煤层顶板为粉砂岩，底板为黑色泥岩。15103运输顺槽属一采区，作为15103回采工作面出煤运输用，巷道设计长度600 m，沿煤层掘进，起伏较小。巷道断面为矩形，高度4 m，宽度5 m，采用锚网+钢带联合支护。巷道掘进方式为炮掘，采用矿用乳化炸药进行掘进。当巷道掘进至290 m区域时，掘进工作面出现涌水量异常。为了解涌水量异常的水源，在掘进工作面施工了5个探测钻孔，钻孔布置如图1所示，钻孔参数如表1所示。探测钻孔涌水量情况如图2所示。

图1 钻孔施工

表1 钻孔参数

图2 钻孔涌水量统计

5个钻孔施工时间在巷道掘进到位后2020年3月15日早班、中班施工完毕，随后对涌水量进行为期31天的观测。据图2可知，4#钻孔涌水量比较大，呈现增长趋势。根据层位计算结果可知，4#钻孔最高点位于开孔位置上方17 m。而1#、5#钻孔孔底位置位于开孔位置上方8.8 m，该区域未出现大量水涌出现象。综合以上钻孔涌水数据推测，15103运输顺槽掘进工作面水源来源于前方顶板8.8～17 m层位段内。

2 水害分析研究

针对15103运输顺槽掘进区区域水害情况进行水文地质分析和物探应用分析。

2.1 水文地质分析

15103运输顺槽掘进区域范围内，地表水为漳河水系支流，无常年性河流。主要水源为大气降水补给。运输顺槽顶板标高距地表平均距离200 m，地表水通过裂隙通道补给地下水。15#煤层上方15 m范围为K2岩溶含水层，灰岩厚度6 m，涌水量0.05 L/s.m，渗透率为0.012 m/d，富水性弱，其最大涌水量为12 m3/h。煤层开采过程中形成的导水裂缝带作为通道，将该区域水引入下部采面，因此对下部开采形成威胁。

上部13102工作面13#煤层已回采完毕，最低点下距离15103运输顺槽13 m，工作面回采完毕后存在老窑水积聚风险，影响下部工作面掘进、回采作业。

综上所述，15103运输顺槽掘进工作面出现涌水量异常的主要原因为：①K2含水层裂隙水。②13102工作面回采完毕后形成的老窑水。

2.2 物探技术应用分析

采用大地电磁法对掘进迎头前方水害情况进行探测，效果较好。本次物探采用YCS200矿用瞬变电磁仪进行地球物理勘探作业。断面为巷道断面周边100 m半径范围内电阻率分布云图，断面步长10 m。设备通过不同断面电阻率进行勘探，将电阻率数据进行降噪反演分析，获得掘进迎头前方20 m和80 m断面电阻率分布，如图3所示。根据电阻率对比表可知，水介质电阻率比较低，低阻异常区通常解释为积水、含水区域；煤层、岩层电阻率较大，通常显现为高阻区域。为更加明确积水区域，见阈值为160Ω·m的介质回归为类似介质光谱。因此煤层、岩层等电阻率较近的介质呈现的光谱类似。

图3 断面电阻率分布

据图3可知，15103运输顺槽前方80 m位置点低阻范围面积比20 m位置点低阻范围面积大，推测80 m位置点向后低阻面积会继续增大。根据不同介质电阻率阈值分析，低阻区域为积水异常区域。根据积水情况分析，产生断面积水量变大主要原因为采空区老窑水；而含水层水量赋存稳定，为裂隙水，勘探过程中不会出现电阻率区域面积变化过大的现象。

3 探放水技术

根据水文地质情况分析和物探探测，15103运输顺槽前方存在老窑水概率较大，老窑水位于掘进断面前方80 m左右范围，断面右帮上部位置。为消除该区域水害，实施3个探放水孔进行排水。探放水孔设计如图4所示，钻孔参数如表2所示。

图4 探放水孔设计

表1 钻孔参数

一采区设有一个水仓，有效容积900 m2，同时配备三台MD85-45×2型矿用离心泵。于2020年5月10日施工3个排水钻孔，钻孔施工完成后进行排水作业，并对3个钻孔涌水量进行监测，监测周期为14天，监测结果如图5所示。

图5 探放水孔涌水量监测数据曲线

据图5可知，探放水孔第一天涌水量均较大，最大涌水量262 m3/h，第一天至第十天区间段内涌水量下降均比较大；第十四天3#钻孔涌水量为1 m3/h。现场观测，第10天开始探放水钻孔均出现间歇性出水现象，2#、3#探放水孔出现间歇性出水情况较为频繁。排出的水通过运输顺槽水沟流到一采区水仓，随后通过排水泵排出。排放水过程中未出现排水功率不足引起的排水不畅。第十五天开始回复工作面正常掘进，掘进过程中未出现涌水异常现象。

综上所述，物探技术和钻探技术准确定位了水源为老窑水的位置，通过排水技术的实施有效解决了15103运输顺槽掘进工作面前方的水害问题。

4 结论

针对15103运输顺槽掘进工作面前方水害问题，经水文地质分析和采用物探结合钻探的方式确定了水害水源，制定专项排水措施，解决了区域内水害问题，得到以下结论：

1）水文地质分析研究表明，该掘进区域水害威胁来源于K2含水层和上部老窑水。

2）物探结果表明，水害主要原因为上方13102工作面回采完毕积聚的老窑水，并确定了水害主要位置点为巷道右帮上部。

3）通过有针对性地实施探放水钻孔，并进行为期14天的排水作业，将老窑水排空，为后期安全掘进提供了保证。