新形势下梧桐庄矿综合防治水技术研究

摘要：梧桐庄矿地质类型与水文地质类型均为极复杂型，历史曾发生过多起突水事故，且具有水压高、水量大、水文高的特点，因此水患是威胁矿井安全生产的主要因素。文章对新形势下梧桐庄矿综合防治水技术进行了研究。

关键词：梧桐庄矿；综合防治水技术；快速设计施工技术；新型设备；矿产资源 文献标识码：A

中图分类号：TD744 文章编号：1009-2374（2017）11-0280-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.141

随着矿井步入深部开采阶段，水害威胁日益加重。梧桐庄矿在经历了矿井淹井事故后，防治水工程更加显现出其重要性，面对这样的新形势，针对当前梧桐庄矿采取的防治水技术进行专项研究。

1 矿井概况

梧桐庄矿是大水矿井，水文地质条件极为复杂，历史上曾多次发生突水事故。建矿伊始，梧桐庄矿就高度重视矿井防治水工作，将“安全第一，治水为先”作为矿井防治水方针，建立了“十步骤”的防治水技术路线并严格执行，连续多年保证了矿井安全生产。

2014年7月27日，182306工作面推采至距停采线80m位置时发生了底板奥灰滞后突水，最大突水量达11264m3/h，后经钻探资料分析，突水原因为182306工作面推采位置后方煤层底板存在隐伏导水陷落柱，在承压水和采动应力作用下，诱发该工作面底板小断层活化导水，并与煤层下方隐伏导水陷落柱沟通，承压水突破底板隔水层形成集中过水通道，导致采空区底板滞后突水。

在经历7.27突水事故教训后，在新形势下防治水工作如何开展才能确保梧桐庄矿防治水安全就成为了摆在我们面前的一个课题。

2 矿井水文地质概况

梧桐庄井田位于鼓山复背斜之东南，构造体系主要属新华夏系，类型以高角度正断层为主，褶曲构造相对发育。井田内有十个含水层，从下往上依次为奥陶系灰岩含水层（Ⅰ）；石炭系太原组大青（Ⅱ）、小青（Ⅲ）、伏青（Ⅳ）、山青（Ⅴ）、野青（Ⅵ）灰岩含水层；二迭系山西组砂岩含水层（Ⅶ）、石盒子组砂岩含水层（Ⅷ）；石千峰组砂岩含水层（Ⅸ）；第三系、第四系含水层（Ⅹ）。其中Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ号含水层，因含水性差，对采煤无影响，其余含水层对煤层开采均有一定影响，其中对采煤威胁较大的含水层有奥陶系灰岩含水层（Ⅰ）、大青灰岩含水层（Ⅱ）、山伏青灰岩含水层（Ⅴ+Ⅳ）。

其中奥陶系含水层为煤系地层基底，具有巨大的动、静水储量。该含水层可以通过导水断层、陷落柱和构造裂隙等地质构造补给煤系地层含水层或突入井巷，为井田煤系地层内各含水层的总补给源和威胁矿井采掘工程的水害根源。

3 新形势下进行综合防治水技术研究的必要性和可行性

182306工作面回采前，矿井按照“十步骤”技术路线做了大量工作，包括地面三维地震及可控源音频大地电磁法综合物探工作、井下瞬变电磁法和音频电透视探测、回采前底板预注浆加固等工作，但182306仍然发生了突水事故。矿井恢复生产后，面临着煤炭市场持续低靡、矿井采深继续加大、水文地质条件更加复杂的形势，做好防治水工作对确保矿井安全和发展意义重大，因此在新形势下进行综合防治水技术研究是十分必要的。

梧桐莊矿设立有专门的水文副矿长，下设防治水研究中心和防治水科两个专业部门，共配备有10名专业技术人员，均为正规院校毕业。另外，矿井装备有音频电透视仪1台，瞬变电磁仪2台，直流电物探仪1台，各类专用探放水钻机16台，配套泥浆泵17台，注浆泵6台，钻孔测斜仪3套，地面建有2座注浆站。同时矿井常年和西安煤科院、河北工程大学、华北科技大学、重庆煤科院、惠州地质安全研究院等科研院校保持合作关系，完全具备开展综合防治水技术研究的条件。

4 综合防治水技术研究主要内容

4.1 综合分析勘探资料对以往防治水工作进行总结，修编了《矿井水文地质类型划分报告》

重新对矿井精查资料、地面物理勘探资料和矿井生产阶段防治水工作成果进行分析和总结，并对历次突水事故进行深入的剖析，根据对矿井及其周边存在老空积水情况、矿井受采掘破坏或影响的含水层性质和富水性及补给条件、矿井涌水和突水分布规律及水量大小、煤矿开采受水害威胁程度以及防治水工作难易程度等因素，与河北工程大学合作，完成了《矿井水文地质类型划分报告》的修编工作。

4.2 快速设计技术研究

通过对防治水工程设计中钻孔设计相关因素的分析，利用EXCEL和CAD相结合，实现钻孔参数的快速计算和快速绘图，实现了以下五个方面的突破：（1）绘制出梧桐庄矿井田2#煤至下伏野青、山伏青灰岩隔水层厚度，为防治水工程精准设计提供了基础数据；（2）给出了一次性计算50个钻孔倾角、孔口管长度、孔深的Excel计算表格，对于设计上百个钻孔的防治水设计，只需计算2～3次就能得出全部钻孔设计参数；（3）给出了一次性计算50个钻孔揭露一座灰岩、野青灰岩、山伏青灰岩含水层预计深度，对防治水工程施工、预防钻孔出水有重要指导意义；（4）给出了快速绘制防治水工程各设计钻孔剖面图的方法；（5）防治水工程设计先行，梧桐庄矿防治水工程精准、快速设计方法研究，对比以往防治水工程设计中繁琐低效的工作方法，能提高防治水技术人员工作效率和工作兴趣，缩短了防治水工程设计时间，极大地提高了设计人员工作效率。

4.3 区域治理技术研究

针对采深的加大、井下防治水工作难度加大、安全系数降低的形势，创新性地提出了“区域超前治理”防治水技术。

该技术通过引进美国雪姆钻机、石油系统先进探测设备和水平定向钻井技术，在地面实施定向钻进，以探查煤层底板导水构造和奥灰含水层裂隙发育情况，并对奥灰七、八段进行注浆改造。

4.4 新型探测技术装备研究

防治水工程质量离不开技术与装备的保障。矿井与科研院校合作，在井下先后应用了坑透法、探水雷达、瞬变电磁、音频电磁等探测技术，在回采前对工作面底板隐伏导水构造进行拉网式探测，本矿又自行采购了大功率全液压钻机、YCS-256型瞬变电磁仪等设备，并对地下水动态监测系统进行了升级，全面提高防治水施工的机械化、自动化和信息化程度，促进矿井防治水技术设备由普通向尖端转变，减轻了职工体力劳动，提升工程施工质量和效率。

4.5 防治水工程快速施工技术研究

传统井下钻探施工工艺存在固管耗时长、设备和钻具配套不合理的问题，钻探施工工期长，工人体力消耗大，严重影响了防治水工程进程。

新形势下，矿井使用全液压动力系统配合∮73mm钻杆和定向器，钻进转矩最大增至32kN，比原SGZL-3B钻机提高12kN，钻进速度更快，精度更准；通过采用钻杆自卸系统，减轻了工人劳动强度，提高工作效率；通过多次试验，成功地实现了双液水泥浆固管，固管时间缩短了一半。

通过以上改进，钻探施工效率得到提高，每孔工期缩短2天，超前钻探和底板加固工期缩短，有效地缓解了生产衔接紧张与防治水任务紧张的矛盾。

4.6 钻孔测斜技术研究

以往的防治水施工，工程质量主要依靠技术分析和工程技术人员的经验进行控制，在本次技术研究中，充分考虑了人为因素的不确定性，通过随钻测斜技术，提升钻孔探测精度。

随钻测斜采用无磁钻杆配合3-Axis Digital Compass传感器、3-Axis Digital Accelerometer传感器和3-Axis MEMS Gyro传感器，随钻确定钻孔的倾角和方位，并通过先进的软件拟合技术准确地描绘出钻孔的空间轨迹，实时反馈钻孔的倾角、方位和深度，实现对钻孔轨迹的精确控制，实现钻孔轨迹的可控性，极大提高钻探注浆资料分析的准确度和科学性。

4.7 地下水动态监测技术研究

复产以来，为实现对地下水的有效监测，矿井与西安欣源公司合作，对原有地下水动态监测系统进行了升级改造。改造项目主要有主站、各个分站、温度和压力传感器。经过升级改造后，监测系统接收和传输速率达到1200bps；信号采集模拟量输入处理误差小于0.5%；分站与调制解调器间传输距离达到了15km，分站数量减少为原来的三分之二。升级后系统与原有的水文监测系统及井上下监测设备兼容性良好，系统可靠性和稳定性都得到了极大提高。

4.8 底板探查及注浆加固技术研究

过去矿井底板加固的层位主要针对山伏青含水层和已知的导水通道，山伏青落点间距掌握为80～100m，易产生加固死角及漏洞。本次通过考察并进行技术攻关，最终确定了底板加固均匀布孔原则，缩短山伏青灰岩落点间距（由原来的100m缩短為不超过60m），进一步加密钻孔密度，减少钻孔探测死角。

4.9 在综合研究的基础上对矿井防治水技术路线进行了修改完善

矿井防治水“十步骤”的工作方法是梧桐庄多年与地下水做斗争过程中总结出的宝贵经验，连续多年保证了防治水安全。为适应新形势下防治水开展需要，矿井在集团公司科技发展部指导下完成了对防治水技术路线的修改和完善。

新的防治水技术路线内容主要包括强排抗灾、分区隔离、地面补充勘探、区域治理、采区水文地质条件评价、掘进工作面水文地质条件评价、工作面巷道掘进探测、工作面底板综合物探、工作面回采前底板预注浆加固及效果检验、钻孔质量控制、工作面开采前安全性评价、回采期间水文地质工作、采后总结等十三项技术。

5 结语

新形势下矿井综合防治水技术研究项目成功，较好地解决了以往存在的隐伏导水构造探查难和防治水工程质量控制难等问题，有利于丰富防治水手段、提高防治水工程质量和效率，更好地保障了矿井安全，近一年来为矿井解放出煤炭资源，增值创效提供了技术支持。该项目对大采深、复杂水文地质条件下岩溶水的治理和预防具有一定借鉴意义，适宜在类似水文地质条件的矿井推广应用，其社会效益和经济效益都十分可观。

参考文献

[1] 关永强，等.华北煤田陷落柱的地下水内循环形成机理[J].中国岩溶，2007，26（1）.

[2] 徐智敏.深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治[D].中国矿业大学，2010.

作者简介：郭江（1989-），男，山西晋城人，冀中能源峰峰集团安全监督管理部水文地质助理工程师。

（责任编辑：秦逊玉）