張本軍,段曉平,尹尚先

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西 山陰 036900)

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老空水綜合探查預(yù)防技術(shù)研究

張本軍1,2,段曉平1,2,尹尚先1,2

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西 山陰 036900)

查明老空區(qū)分布并采取有針對性的措施是預(yù)防老空水事故的根本所在。提出了老空水調(diào)查的基本程序和內(nèi)容，主要包括資料收集分析、調(diào)查與踏勘、可疑采空區(qū)及重點(diǎn)區(qū)域測繪圈定、地球物理探測方法選擇與勘查、鉆探探測及結(jié)果驗(yàn)證、分析總結(jié)；總結(jié)了老空水成災(zāi)的主要五類原因，相應(yīng)提出了預(yù)防老空水事故的技術(shù)主要集中在“探”和“放”，避免老空積水成災(zāi)的主要措施是“查明、探清、放凈、管控”。

老空水；探查；預(yù)防；技術(shù)措施

我國煤炭開采歷史長，留下了大量小窯老空區(qū)，且其分布不規(guī)則，一些關(guān)閉的小煤礦沒有留下任何水文地質(zhì)資料，即使有其資料也與井下實(shí)際不符，開采邊界、分布范圍、積水空間不清楚，容易引發(fā)突水事故[1]。采空區(qū)特別是老空分布具有隱蔽性、不規(guī)則等特點(diǎn)，探測困難，導(dǎo)致的透水水量大、來勢猛、具很強(qiáng)的破壞性，并多伴有有害氣體的涌出，防治難度極大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來老空區(qū)透水占全國煤礦水災(zāi)總數(shù)的70%以上[2]。

大量案例分析表明，老空透水事故的主要原因是老空區(qū)空間位置未查清，盲目掘進(jìn)造成的[3]。因此，查明老空區(qū)分布并采取有針對性的措施是預(yù)防老空水事故的根本所在。

圖1 2008～2014年水害事故的涌水來源統(tǒng)計(jì)

1 老空區(qū)調(diào)查技術(shù)

老空區(qū)探查的一般程序主要包括資料收集分析、調(diào)查與踏勘、可疑采空區(qū)及重點(diǎn)區(qū)域測繪圈定、地球物理探測方法選擇與勘查、鉆探探測及結(jié)果驗(yàn)證、分析總結(jié)[4](圖2)。

圖2 老空區(qū)調(diào)查程序及內(nèi)容

(1) 走訪調(diào)查實(shí)地踏勘

通過走訪附近村民、原礦井老職工和原管理技術(shù)人員，廣泛收集圖紙及口述資料，圈定實(shí)際調(diào)查范圍；通過實(shí)地踏勘，調(diào)查了解地面坍陷、積水區(qū)、井口等具體情況，進(jìn)一步了解采空區(qū)分布范圍，有條件的地方，應(yīng)組織技術(shù)人員和救護(hù)隊(duì)員一起下井勘探調(diào)查，基本確定井田內(nèi)外各小煤礦整合前的采掘活動(dòng)范圍和積水區(qū)域，為下一步采用測繪、物探、鉆探等方法手段提供靶區(qū)。

(2) 井田工程地質(zhì)測繪

工程地質(zhì)測繪工作是老空區(qū)勘察的基礎(chǔ)，對于老空區(qū)的探測，起到舉足輕重的作用。地質(zhì)測繪的目的是為了探測工作區(qū)內(nèi)老水的分布位置，通過地質(zhì)調(diào)查、采礦情況調(diào)查、地表變形觀測及現(xiàn)場調(diào)查工作，確定物探、鉆探探測范圍及探測工作量，為探測方案的選擇提供依據(jù)。本階段成果應(yīng)能夠初步建立老空所在區(qū)域的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

(3) 物探綜合探測技術(shù)

依據(jù)國內(nèi)外不同方法敏感性參數(shù)分析與比對、探測效果及實(shí)用性綜合分析資料，建立以電法、地震法為基礎(chǔ)的老空水綜合地球物理勘探技術(shù)體系。

在探測深度方面，適合于淺層采空區(qū)探測(探測深度小于300 m)的方法有：地質(zhì)雷達(dá)、可控源淺層地震、高密度電法、瞬變電磁法；適合中等深度采空區(qū)探測(探測深度小于600 m)方法有：瞬變電磁法、大地電磁法、三維地震；適合大深度采空區(qū)探測(探測深度小于1000 m)的方法有：大地電磁法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、三維地震。在探測精度和分辨率方面，地質(zhì)雷達(dá)和地震類方法(特別是三維地震)較電磁類方法探測精度和分辨率要高，在采空區(qū)較小(如廢棄巷道、房柱式采空區(qū))、對探測精度要求較高的情況下，宜采用地震類方法。在對充水采空區(qū)探測方面，宜采用對低阻靈敏的電法和電磁類方法；如采空區(qū)不充水，宜采用對高阻或構(gòu)造敏感的高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)和地震類方法。在玄武巖覆蓋地區(qū)、基巖大面積出露區(qū)等高阻屏蔽區(qū)域和地形起伏較大區(qū)域，適宜采用瞬變電磁法、大地電磁、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等進(jìn)行探測。在受工業(yè)用電影響較大區(qū)域，宜采用地震類方法進(jìn)行探測[9]。

單一的地球物理探測方法均存在一定的缺陷，特別是對于地形地質(zhì)條件復(fù)雜、干擾源多、探測精度要求高的區(qū)域，單一方法的探測難以滿足保障安全生產(chǎn)的要求， 應(yīng)采用兩種或兩種以上的方法進(jìn)行綜合探測[8]。針對各方法的特點(diǎn)，提出了不同條件下采空區(qū)綜合探測的優(yōu)化組合方案(表1，表2)。

表1 地面探測方法優(yōu)化組合

深度(m)方法選擇適用條件0～150 地質(zhì)雷達(dá)+高密度 探測深度不大，探測精度要求較高，地形起伏較小，高阻屏蔽和高壓輸電線影響較小區(qū)域 可控源淺層地震+高密度 地形起伏較小，探測精度要求高，地面導(dǎo)體分布較多，高壓線分布區(qū)域 瞬變電磁或MT 地形起伏較大，探測精度要求較低，受工業(yè)用電影響較小區(qū)域150～300 瞬變電磁+高密度 地形起伏不大，采空區(qū)充水性未知，干擾因素較多，探測精度要求較高 瞬變電磁+MT 地形起伏較大，探測精度要求較低，受工業(yè)用電影響較小區(qū)域300～600 三維地震 采空區(qū)未充水，探測精度要求高，地形起伏較小 瞬變電磁(或MT)+三維地震 采空區(qū)充水性未知，受微震和工業(yè)用電影響較大，探測精度要求高 瞬變電磁+MT 采空區(qū)充水性未知，探測精度要求較低，地形起伏較大600～1000 三維地震 采空區(qū)未充水，探測精度要求較高，地形起伏較小 MT(或CSAMT)+三維地震 采空區(qū)充水性不確定，探測精度要求較高 MT或CSAMT 采空區(qū)充水，探測精度要求較低，地形起伏較大

表2 井下探測方法優(yōu)化組合

探測距離(m)方法選擇適用條件0～100 地質(zhì)雷達(dá)+瞬變電磁 掘進(jìn)面超前探測(或工作面頂板及巷道側(cè)幫探測)，采空區(qū)含水，探測精度要求高 瞬變電磁+直流三極法 掘進(jìn)面超前探測，采空區(qū)含水性不確定，鐵器和工業(yè)用電干擾較多，探測精度要求較高 瞬變電磁+反射波 掘進(jìn)面超前探測(或工作面頂板及巷道側(cè)幫探測)，采空區(qū)含水性不確定，鐵器和工業(yè)用電干擾較多，探測精度要求高 瞬變電磁+高密度 工作面頂板及巷道側(cè)幫探測，采空區(qū)含水性不確定，鐵器和工業(yè)用電干擾較多，探測精度要求較高

(4) 鉆探技術(shù)

用于煤礦水害防治的鉆探技術(shù)包括井下和地面兩種類型，使用的鉆探技術(shù)有常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn)技術(shù)。近年來取得較大進(jìn)展的地面徑向射流造孔技術(shù)、鉆探技術(shù)有精確定位與造斜分支鉆探技術(shù)、井下長距離近水平定向鉆探技術(shù)、地面大口徑定向鉆探技術(shù)等。定向鉆進(jìn)技術(shù)以先進(jìn)的隨鉆測控技術(shù)為依托，可對鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和精確控制，使鉆孔在目的層位延伸或精確中靶[9]。

2 老空水綜合防治技術(shù)

在防治操作層面，老空水形成災(zāi)害的主要技術(shù)不當(dāng)行為包括：未探測；設(shè)計(jì)不合理；未探明或未合理設(shè)防；未探、放水或者探、放水操作不當(dāng)；放水不充分；管理不到位[1]。

圖3 老空區(qū)積水導(dǎo)致事故的主要技術(shù)不當(dāng)類型

(1) 上述事故原因分析說明，預(yù)防老空水事故的技術(shù)主要集中在“探”和“放”，避免老空積水成災(zāi)的主要措施是“查明、探清、放凈、管控”[12]。

① 老空區(qū)的位置未查明，井下探水‘三線’劃不出來，探水方向不清重點(diǎn)不明，探水工作量大但效果差，很容易導(dǎo)致事故；

② 地面的“查明”不等于所有細(xì)節(jié)都完全清楚，因此采掘過程中應(yīng)通過超前探水來“探清”積水區(qū)的范圍、標(biāo)高、積水量等具體指標(biāo)，未進(jìn)行探水或探水技術(shù)措施不當(dāng)，也容易造成事故；

③ “查明”和“探清”還不能確保萬事大吉，放水不干凈，少量殘留水足以導(dǎo)致人員傷亡，類似教訓(xùn)極為深刻，“放凈”是硬道理；

④ 前面的環(huán)節(jié)都做到了，但“管控”失誤，如水害發(fā)生的征兆識(shí)別錯(cuò)誤，職工培訓(xùn)等管理措施不到位，或者處置不當(dāng)，控制措施跟進(jìn)不到位，仍然會(huì)出現(xiàn)事故造成人員傷亡。

(2) 針對上述原因，提出以下對策措施[7]：

① 老窯老空水害防治的基本對策：探明積水區(qū)的空間范圍、標(biāo)高、積水量，判斷其與設(shè)計(jì)開采區(qū)層間距或同一層位的上下標(biāo)高差的空間關(guān)系，在留設(shè)一定的防隔水煤柱的條件下，放凈積水。

② 因地制宜，提出科學(xué)合理及確保安全的探水、放水設(shè)計(jì)。

③ 根據(jù)礦井現(xiàn)場實(shí)際情況，制定探放老窯老空水的方案和安全技術(shù)措施。

④ 在地面，對地表裂縫進(jìn)行調(diào)查，并組織人力、物力進(jìn)行全面系統(tǒng)充填，確保雨季時(shí)礦井不受地表水特別是洪水威脅；在井下，采用循序漸進(jìn)的方式先難后易進(jìn)行放水，絕不留死角，做到徹底干凈，在探水、放水過程中配套措施一定要全面到位。

3 結(jié)論

(1) 老空水調(diào)查的基本程序和內(nèi)容：通過資料收集、走訪調(diào)查與踏勘來獲得采空區(qū)的初步概略資料，進(jìn)行重要建(構(gòu))筑物、地面塌陷、地裂縫等采礦對地表影響的調(diào)查，圈定可能存在采空區(qū)的區(qū)域，確定勘查區(qū)域，根據(jù)勘查目的、地表地形、地質(zhì)和物性條件選擇合適的物探方法；采用物探勘查手段對勘查區(qū)進(jìn)行探測，獲得較為準(zhǔn)確的采空區(qū)的分布范圍、充水及垮落等情況；通過地面鉆探勘查手段來驗(yàn)證物探結(jié)果、修正物探成果[6]。

(2) 分析表明，老空水形成災(zāi)害的主要技術(shù)不當(dāng)行為包括：未探測；設(shè)計(jì)不合理；未探明或未合理設(shè)防；未探、放水或者探、放水操作不當(dāng)；放水不充分；管理不到位。老空水的防治應(yīng)針對上述不當(dāng)行為類型實(shí)施綜合預(yù)防，預(yù)防老空水事故的技術(shù)主要集中在“探”和“放”，避免老空積水成災(zāi)的主要措施是“查明、探清、放凈、管控”。

[1] 鄭世書，陳江中，劉漢湖,等. 專門水文地質(zhì)學(xué)[M].江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2] 虎維岳，王廣才．煤礦水害防治技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．煤田地質(zhì)與勘探， 1997， 25(S0)：17-23．

[3] 尹尚先.華北煤田巖溶陷落柱及其突水研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[4] 虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：北京煤炭工業(yè)出版社，2005.

[5] 沈冰，黃紅虎. 水文學(xué)原理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

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[9] 胡海峰.煤礦測量[M]. 江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[10] 李巨龍，楊偉峰，于宗仁. 巖土鉆掘工程學(xué)[M]. 江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[11] 舒良樹.普通地質(zhì)學(xué)[M]. 北京：北京地質(zhì)出版社，2011.

[12] 王國際，黃小廣，高新春，等. 礦井水災(zāi)防治[M]. 江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

Research on the Comprehensive Exploration Prevention Technology of Goafwater

ZHANG Ben-jun1,2, DUAN Xiao-ping1,2, YIN Shang-xian1,2

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China;2.ChinaCoalGroupShanxiHuayuEnergyCO.LTD.,Shanyin, 036900,China)

Finding out the goafwater distribution and taking pertinent measures is the basic of preventing goafwater accidents.Basic procedures and contents of goafwater surveys are proposed,which mainly includes data collection and analysis, investigation and reconnaissance, mapping and delineation of suspected goaf and key area, selection and exploration of geophysical prospecting techniques, drilling detection and results verification, analyzing and summarizing; five main causes of goafwater disaster are summarized,and it is accordingly put forward that the techniques of preventing goafwater disaters is mainly concentrated on ‘exploration’ and ‘emission’, the main measures of preventing goafwater disaster are ‘correctly ascertainment, clearly exploration, clean emission, management and control’.

goafwater; exploration; prevention; technical measure

2016-02-06

國家自然科學(xué)基金(51074075，41072188)，‘十二五’國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK04B04)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015019)

張本軍(1963-)，男，山西大同人，碩士，中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司生產(chǎn)技術(shù)管理部地測防治水處處長，研究方向：煤礦地測防治水。E-mail: 2240542792 @qq.com

TD745

A

1672-7169(2016)02-0010-05