巷道掘进老空区水害综合防治技术

魏效农，方 刚，刘 洋，刘星合，白 晶

（1.陕西延长石油矿业有限责任公司，陕西 西安710065；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077；4.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安710054；5.陕西延长石油集团 横山魏墙煤业有限公司，陕西 榆林719000）

我国西北部煤炭生产基地内拥有许多大型矿井正在建设开发，其煤质优良、资源丰富，为各行业生产提供能源动力保障。而受历史遗留原因所致，其中有部分矿井则面临周边或上覆老采空区及积水的影响，可能对其安全生产构成威胁[1-2]。由此，矿井在建设、生产过程中，临近以往老采空区附近时，必须提前分析地质及水文地质条件，采取探查和预防措施应对可能存在的老空水害问题，避免影响矿井安全的危险或事故发生[3-4]。

针对老空区及积水的形成和发展、该类水害隐患的探查和防治、其影响的危险性分析和评价等相关领域，多年以来，业内诸多研究人员及学者们从不同角度、通过不同手段均开展了深入的研究工作。题正义[5]等运用板壳理论和关键层理论建立采空区覆岩变形破坏力学分析模型，结合经验公式和数值模拟得出最大导水断裂带高度和底板破坏深度，通过上部采空区积水危险性判定准则辨别采空水害影响情况。周禹良[6]等通过构建煤巷老空突水LR 型脆弱性指数预测模型，基于罗吉斯回归原理得出脆弱性指数与老空突水主控因素的回归方程，由此获取突水危险阈值并划分危险区。于景邨[7]等采用三维时域有限差分法对老空水全空间瞬变电磁响应进行数值模拟，发现当发射回线法与巷道掘进方向一致时，巷道掘进方向的老空水比两侧位置的磁场对时间导数曲线幅值更大，对应视电阻率曲线形态相同、极小值更低、响应时间更早。姬中奎[8]等针对大采面老空区积水采取联络巷密闭墙安装泄水闸阀进行侧帮放水和在底板低洼处布设钻孔进行探放水等方法。吕目晓[9]等建立河水水力渗透水文地质模型，确定采动前后河水渗透补给采空区积水分为采前低渗流和采后高渗流固液耦合作用2 个阶段，采用帷幕注浆切断河水与煤层顶板基岩风化裂隙含水层之间补给联系。张本军[10]等提出老空水调查的基本程序和内容，总结了老空水成灾的主要5 类原因，认为预防老空水害的主要技术为“探”和“放”，并应对老空积水“查明、探清、放净、管控”。方俊[11]等将随钻测量定向钻进与常规回转钻进技术结合施工定向长钻孔，实现了煤矿井下老空水的精确探查和疏放。佟向阳[12]等针对我国西南地区主要存在的采空区水害问题，提出加强煤矿防治水基础工作、严厉打击煤矿超层越界行为、设立区域性水害治理机构、加强煤矿防治水专业技术培训等防治对策。蒋勤涛[13]通过对比试验对瞬变电磁法发射线框的大小、发射频率、采样延迟时间、发射电流等进行优化研究，在资料处理是先进行滤波消除噪声，再进行时深转换去除地形起伏影响，以此探测复杂地形地质条件下老空水赋存情况。周孟然[14]等提出将模糊C 均值聚类（FCM）算法和多维标度分析（MDS）用于激光诱导荧光光谱识别煤矿老空水和奥灰水等突水水源。黄福泉[15]等使用单台矿用射电水探测仪，应用射电定位法在井下对老空水井下探测定位，结合钻孔验证，误差在8%～20%。冯科技[16]针对浅部大面积老空水害，提出“物探先行、钻探疏放、巷探验证”的治理技术方案。李伟[17]等针对闭坑矿井水害威胁临近生产矿井情况开展研究，提出进行矿界煤柱安全评价、积水过程监测、井下钻孔探查预疏、泄水巷道超前排水、拦水闸墙设置、井下明渠流量动态监测、闭坑矿井井筒充填加固、老采空区边界综合探查治理等防控技术。这些研究成果对老空水害防治具有一定的指导作用，基于此，以榆横南区魏墙煤矿二盘区回风大巷延伸掘进过程中面临老空水害影响为例，通过对研究区水文地质条件分析老空水害威胁程度，提出不同阶段的探查和防治方法，确保井下大巷的安全掘进。

1 研究区概况

魏墙煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横南区中北部，隶属陕西省榆林市横山区波罗镇、横山镇行政管辖。井田面积约83 km2，首采3 号煤层，核准生产能力6 Mt/a。根据矿井接续，需对二盘区逐步进行开拓，其东翼大巷位于盘区中部，由西向东延伸，在盘区南部边界外，存在张家洼小煤矿，其开采时间早，采空区分布情况不详，由于二盘区开拓大巷紧邻井田边界，结合相关规范[18-20]要求需对相关区域进行探查，预防小煤矿老空区及积水对大巷开拓掘进可能造成的影响和威胁，故以二盘区东翼大巷延伸掘进区域为主要研究范围。研究区位置示意图如图1。

研究区含煤地层为侏罗系延安组（J2y），底部为三叠系瓦窑堡组（T3w）、侏罗系富县组（J1f），上覆有侏罗系直罗组（J2z）、安定组（J2a）以及第四系（Q）松散层等。研究区地质构造条件与井田类似，均较为简单，无较大地质变化，地层及煤层倾角＜1°，经前期勘探及采掘揭露，未发现有导水构造。

根据矿井采掘经验，井下大巷沿3 号煤层（煤厚约3.25 m、平均埋深约282 m）掘进过程中的直接充水水源为顶板侏罗系延安组第四段含水层水[21]，该含水层（该层段在煤层顶板的厚度约80 m）富水性弱（单位涌水量q≤0.1 L/（s·m）），巷道掘进过程中的涌水量基本在30～40 m3/h 左右，一般不会对矿井安全造成影响。根据矿井以往调查，南部张家洼小煤矿可能存在越界开采现象，二盘区东翼大巷延伸掘进时主要可能面临老空区及积水威胁。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 探查技术

2.1 前期探查

采用地面三维地震法和瞬变电磁法探查老空区分布和积水情况[22-23]，从而圈定异常区，为后续钻探工作开展提供靶区，再通过取心钻探[24-25]和电视测井对老空区进行成果验证。

1）三维地震。通过地面三维地震法，在研究区解译了4 处疑似老空异常区，分别为DK1、DK2、DK3、DK4 号区，其均为不规则形状，三维地震成果见表1。

表1 三维地震成果表Table 1 The 3D seismic results table

2）瞬变电磁。通过地面瞬变电磁法，在研究区解译了2 处老空异常区，分别为SK1、SK2 号区，基本为矩形或矩形组合分布；还解译了1 处3 号煤顶板含水层富水异常区FS-1，为不规则形状。SK1 号区位于研究区西部，为明显低阻异常区，面积约0.10 km2，推断为富水异常或老采空区积水井巷延伸区域；SK2 号区位于研究区中南部，为中高阻异常区，面积约0.18 km2，异常区富水性较弱；FS-1 号区表现为3 号煤层顶板含水层富水异常，但富水性相对较弱，面积约0.079 km2，分析在井巷工程采掘至该区域时，煤层顶板表现为淋水或少量涌水现象。

3）地面钻探。在研究区地面共施工有4 个探查验证钻孔，分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4 号钻孔，地面钻探成果见表2。

表2 地面钻探成果表Table 2 The surface drilling results

根据现场地面钻探情况可知，ZK1 号钻孔施工过程未发生漏水和卡钻现象，煤层及顶底板取心率良好，分析该区域附近无采空区分布；在ZK2 号钻孔施工至煤层顶板上方时发生轻微卡钻现象，钻孔可能施工至煤柱位置，造成其顶板取心破碎，分析该区域附近存在以往老采空区房柱式开采的老空区；而在ZK3、ZK4 号钻孔施工至煤层顶板上方时，均发生轻微卡钻，且钻进至320～330 m 左右位置时发生漏水、掉钻现象，掉钻深度约2 m，ZK4 号钻孔还出现吸风现象，分析这2 个钻孔附近区域存在老空区。

4）电视测井。根据地面钻探发现的钻孔异常情况，采用电视测井的方法进一步对老空区探查情况进行验证，通过电视测井照片可直观发现老空区上部裂隙及煤层孔洞，地面钻孔电视测井照片如图2。

综上所述，通过矿井二盘区东翼大巷掘进前期开展的探查工作可知，研究区范围内存在一定的老窑采空区及积水情况，故井下巷道掘进前应根据现场情况合理设计布置井巷工程，并在掘进过程中采取超前探查技术手段预防老空水害。

图2 地面钻孔电视测井照片Fig.2 The TV logging photo of ground borehole

2.2 掘进探查

矿井二盘区东翼大巷将由北向南依次布置辅运、运输、回风3 条大巷，各大巷相距40 m，自西向东延伸开拓。根据前期探查成果，确定大巷掘进过程中将面临揭露老采空区，故矿井将3 条大巷位置统一向北平移布置，其中，位于最南侧的二盘区回风大巷距离井田边界约360 m，由前期探查所得的老空区边界进入魏墙井田内最远310 m 范围可知，二盘区回风大巷可能距离南部张家洼老窑采空区最近距离约50 m 左右，但由于该老采空区开发时间较早，且采掘工艺原始落后，前期探查成果还有待于巷道掘进过程中进一步验证，由此，在二盘区回风大巷掘进过程中，超前另外2 条大巷100 m，采用超前探工程（物探+钻探）对沿煤层前方掘进巷道进行老采空区探查，防止因老空水造成的危害。

根据《煤矿防治水细则》、《煤矿安全规程》[19-20]等要求（计算水压、孔口管长度、孔径、超前距、终孔距、配备相应排水设施等），结合超前物探成果，设计超前钻探工程进行掘进探查。设计专用钻场内施工2 个超前探查钻孔沿3 号煤层钻进，平距130 m，探查无异常后允许掘进100 m，预留30 m 安全距离，在此期间，如发现异常，则另行布设钻孔。巷道超前钻探工程钻孔平剖面图如图3。

图3 巷道超前钻探工程钻孔平剖面图Fig.3 Borehole plane and section of roadway advanced drilling project

二盘区回风大巷延伸设计长度约3 202 m，超前探查工程共布设有34 个钻场，共施工70 个超前探查钻孔（含2 个异常补孔），其中，1#～11#和24#～34#钻场为原设计超前探查平距130 m，12～23 号钻场位于老采空区邻近区域，为提高和保证探查精度和可靠性，故变更为超前探查平距110 m，探查无异常后允许掘进80 m，预留30 m 安全距离（钻孔布置形式同原设计）。

根据现场探查发现，回风大巷掘进过程中所施工超前钻孔大部分为干孔（57 个钻孔、占比81.4%），少量为淋水（淋水情况基本按0.001 m3/h 计算，10 个钻孔、占比14.3%），个别钻孔出水1 m3/h左右（3 个钻孔、占比4.3%）。

在31#钻场施工的2 个钻孔中，31-1#钻孔在钻进过程中局部（钻进至84～89 m 处，回风大巷里程约2 884～2 889 m 处位置）出现黄色泥质物，终孔出水1 m3/h；31-2#钻孔自开始施工至终孔无出水情况，由此，出于安全角度考虑，在距离31-1#钻孔出现黄色泥质物位置前20 m 处进行补充2 个钻孔进行再次探查，具体为在煤层巷道掘进迎头施工2 个超前探钻孔，沿煤层钻进，超前探测距离50 m，掘进20 m，预留30 m 安全距离，2 个补充超前探钻孔形态同前设计，即31’-1#钻孔沿巷道方向，31’-2#钻孔向南偏移，终孔距巷帮16 m（区内巷道掘进塑性区基本在5 m 左右）[26-27]。

经再次探查，31’-1#孔钻进距离50 m，31’-2#孔钻进距离51 m，该2 个钻孔在钻进过程中再未出现黄色泥质物，终孔出水均约1 m3/h，无压力、无异常气体涌出。由此分析之前31-1#钻孔出现异常为区内侏罗纪煤田含煤岩系延安组煤层在沉积过程中局部的冲刷或风化带胶结物，一般情况下对矿井安全生产及该巷道掘进影响不大，回风大巷可继续安全掘进。经井下掘进揭露，再未出现异常情况，最终二盘区回风大巷完成延伸掘进任务。

3 水化学测试

通过采集二盘区回风大巷掘进过程中超前钻孔出水水样（2 组）和掘进巷道顶板锚索淋水水样（1组）进行水质全分析，对比以往开采的6 个工作面顶板探放水钻孔水样（12 组），以及区内老空水水样（3组），分析其离子含量、水质类型及水化学特征[28-29]，以此判别巷道掘进过程中钻孔是否探查到老空水。

1）以往工作面顶板水。矿井先期开采有1301、1303、1305、1307、1309、1311 工作面，在采前对工作面回采后可能波及的顶板侏罗系直罗组底部和延安组砂岩含水层水进行疏放，选取采集水样18 组进行水质全分析测试。发现其pH 值在7.51～7.96 之间，均为偏碱性水，共矿化度在8 010.0～10 316.4 mg/L之间，属咸水（盐水浓度10 000 mg/L）。Na+浓度为2 355.2～2 834.9 mg/L，Ca2+浓度239.3～455.9 mg/L，SO42-浓度为5 170.3～6 734.0 mg/L，Cl-浓度121.4～327.9 mg/L，HCO3-浓度为144.5～188.6 mg/L，水质类型均属SO4-Na 型水，以往开采工作面顶板水Piper图如图4。

图4 以往开采工作面顶板水Piper 图Fig.4 Piper map of roof aquifers water in previous mining face

2）本次巷道掘进钻孔水和区内老空水。二盘区回风大巷掘进过程中发生有个别钻孔少量出水（1 m3/h），并伴随有少量黄色泥质物，分析为煤系地层沉积冲刷弱胶结物。结合巷道掘进后支护锚索淋水（侏罗系延安组含水层水），与区内老空水采集水样进行对比分析，判断本次钻孔出水的水质特征和来源。

本次超前探查钻孔出水水样其pH 值在7.84～7.92 之间，显示为弱碱性水，其矿化度在9 212.4～9 368.6 mg/L 之间。Na+浓度为2 685.8～2 703.1 mg/L，Ca2+浓度为302.6～335.2 mg/L，SO42-浓度为5 557.1～5 716.2 mg/L，Cl-浓度为355.3～368.7 mg/L，HCO3-浓度为239.0～256.1 mg/L，水质类型也为SO4-Na 型水。而采集的老空水水样含量则有所差异，其pH 值在5.8～6.2 之间，显示为弱酸性水，矿化度在4 897.2～5 031.4 mg/L 之间。Na+浓度为4.32～7.19 mg/L，Ca2+浓度223.8～275.9 mg/L，SO42-浓度397.1～422.3 mg/L，Cl-浓度为1.5～5.8 mg/L，HCO3-浓度为173.8～233.9 mg/L，水质类型也为SO4·HCO3-Ca·Mg 型水，巷道掘进出水与老空水Piper 图如图5。

图5 巷道掘进出水与老空水Piper 图Fig.5 Piper map of roadway tunneling water samples and goaf water

3）综合分析。根据以往工作面顶板含水层水样、本次巷道掘进超前钻孔水样、巷道顶板锚索水样和老空水样进行对比，发现本次巷道掘进超前钻孔水样与煤层顶板含水层的水质类型、离子含量及水化学特征等相近，而区内老空水水样与其他水体的水质特征则相差较大，故认为矿井二盘区回风大巷掘进过程中超前探查钻孔未揭露老采空区，对此，水化学测试成果在整个巷道完成掘进后未发现老矿井巷道及以往采掘痕迹也可作为相互验证。

4 结 论

1）井下二盘区各大巷延伸掘进掘进过程中顶板充水来源于侏罗系延安组砂岩弱富水含水层，对掘进影响不大，而井田边界南部的张家洼老矿井采空区则存在较严重威胁。

2）在回风大巷掘进前期，开展地面三维地震、瞬变电磁等物探工程圈定老采空区及富水异常区，而后采用地面钻探和电视测井的方法进行直观验证，确定未来大巷掘进区域存在有老采空区。

3）在回风大巷掘进过程中，采取井下超前钻探对前方是否存在老采空区及积水情况进行探查；并通过钻孔出水和以往水样、老空水样等进行水化学特征对比分析，最终判断确定回风大巷延伸不受老空水影响，保证巷道安全完成掘进工作。