大同矿区多层采空区综合探测技术
时间：2022-02-19 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★科技与工程★
大同矿区多层采空区综合探测技术
大同煤田为“双系”煤田，主要赋存晚古生代石炭-二叠系和中生代侏罗系煤层，煤田大致为椭圆形盆地，走向为北东～南西向［1］。北东向长85 km，南东宽约30 km，总面积为1827 km2。其中，侏罗系煤田面积约772 km2，石炭-二叠系煤田面积为1739 km2，与侏罗系煤田重叠面积达684 km2，大同“双系”煤田赋存情况如图1所示。
1 大同煤田“双系”煤层情况简介
侏罗系含煤地层为中侏罗统大同组，地层厚度75～264 m，一般为210 m。该煤系分11个煤组21层可采煤层，多为比较稳定与不稳定煤层，煤层总厚一般为21 m，含煤率10%左右，煤层层数多、间距近，合并分叉频繁［2］。
二叠系山西组含煤4层，只有山4#煤层在全区大部分地区可采，区内山西组煤层总厚平均为4.06 m，含煤系数为9%。
石炭系太原组含煤10层，煤层总厚度0.11～51.13 m，一般厚度为15～25 m，平均厚度为18.84 m，含煤系数达27%，其中3#、5#、8#煤层为主要可采煤层，赋存稳定；整个煤层厚度由北东向南西呈增加趋势［3］。塔山井田煤层厚度普遍大于20 m，最厚处达到40 m以上。
图1 大同“双系”煤田煤层赋存简图
2 大同矿区“双系”煤层开采现状及存在问题
目前大同煤田侏罗系煤层的开采基本接近尾声，仅存部分12#、14#煤层正在开采，大部分矿井均已开拓延伸至石炭-二叠系煤层，是当前大同矿区的主采区。
大同煤田侏罗系煤层开采历史可追溯至1500多年前，但前些年的“有水快流”政策导致小煤窑兴起，超层越界情况极为严重［4］，比如，同煤集团云岗井田范围内小煤窑共37座，燕子山井田范围内及周边小煤窑54座，马脊梁井田范围内小煤窑48座，四台井田范围内及周边小煤窑45座，小煤窑采空情况复杂，基本无资料可寻，且由于超层越界与大矿采空区纵横交错，采空层位多，致使采空区探测难度增加，同时采空区低洼处的积水给煤矿正常生产造成威胁。
大同煤田石炭系煤层目前开始大规模开采，与侏罗系最下组煤层层间距在80～450 m左右，由于煤层厚度大，顶板导水裂隙带发育，容易导通上覆侏罗系采空区，采空区内的积水、积气情况对煤矿安全生产形成威胁，因此上覆侏罗系采空区及积水探测成为当前石炭系煤层开采的重点，而由于上覆侏罗系层间距较大，井下常规钻机的探测深度与精度又制约着采空区探测的准确度。
大同矿区面对侏罗系采空层数多、小煤窑超层越界开采严重且无资料可寻以及石炭系与侏罗系采空区层间距大、钻探局限性多等多重复杂因素，在长期、大量的工作摸索中，总结出一套针对“双系”煤田复杂采空区探测的手段与方法，有效解决了复杂采空区探测难题，保障了大同矿区各个煤矿的安全生产。
3 大同矿区多层采空区探测方法与技术研究
3.1 资料收集追溯法
资料收集追溯法，顾名思义，就是通过各种手段收集矿井实际的采掘现状，包括本矿采掘资料留存、与周边相邻矿井建立定期对图制度等，这主要针对当前的生产矿井，通过对图、交换图等方法对各层采空区基本情况进行准确掌握。
而对于已关闭小煤窑、古井、古窑的资料收集追溯，一是通过到当地煤炭工业管理局、国土与勘查勘探部门收集小窑的采掘资料、图纸；二是开展社会走访，询问当时在小窑工作的测工、技术人员等，了解小窑的采掘范围、采掘方法、开采时间、关闭时间以及出煤量等，并到小窑对应地表进行调查，确定小窑的井口位置、井筒类型与方位倾角等，根据上述方法收集的资料分析、预测和划定小煤窑开采或破坏的大致范围。
3.2 物探方法在大同矿区探测采空区中的应用
大同矿区在采空区探测方面运用较多的物探手段是高密度电阻率法。高密度电阻率法是以岩石的电性差异为基础的一类勘探方法，高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法，其原理与普通电阻率法相同，不同的是在观测中设置了高密度的观测点［5-6］。在此以树儿里矿为例介绍高密度电法在探测采空区中的应用。
树儿里矿C3#煤层上覆存在C3-1#煤层小窑破坏区（局部与3#煤层合并），煤厚平均3.5 m，与C3#煤层间距4 m左右。小窑巷道基本在上覆C3-1#煤层或合并层煤层顶部掘进。为确保矿井C3#煤层302-2回风巷安全掘进，探清上覆C3-1#煤层小窑破坏情况，采用重庆奔腾高密度电法仪进行探测工作，探测302-2回风巷长度总共180 m，302-2回风巷布置测点60个，点间距为3 m。一次性采集数据，共计物理点61个。
C3#煤层302-2回风巷高密度测深直流电法探测成果解释：依据本区域钻孔视电阻率测井曲线显示，煤层电阻率值为90～150Ω·m，选取120Ω·m为背景值。C3#煤层302-2回风巷高密度电法成果如图2所示。由图2可以看到，区域内有2处电性特征值及形态有明显变化的区域，异常区1位于工作面90～110 m区域，异常区2位于工作面163～190 m区域，视电阻率值均达到700Ω·m左右，较其他区域相对较高，其横向上视电阻率等值线形态和连续性有明显的变化，综合判断为采空区电性反应。
图2 C3#煤层302-2回风巷高密度电法成果图
针对异常区进行钻孔验证，即上覆C3-1#煤层疑似小窑破坏区共施工4个钻孔，4个孔均探通小窑巷道，且巷道中未见采空积水，证明了物探异常成果比较准确。
3.3 钻探方法在大同矿区采空区探测中的应用
钻探作为采空区探测手段中最为直接也最为准确有效的方法，是大同矿区采空区探测的基本手段之一，主要是从地面向井下施工钻孔和在井下采掘工作面向上覆采空区施工钻孔进行探测验证采空区及积水情况，这对于采空区位置较准确的情况较为适合，但对于采空区具体位置不准确的情况，仍然可以充分利用钻探手段，并结合实际工作条件综合分析。
3.3.1 充分利用已施工钻孔，实现一孔多用
煤矿在开采过程中经常需要施工大量钻孔，其中包括探放水孔、物探验证孔、煤层补勘孔、瓦斯抽放孔、电缆孔、下料孔、科研孔等。在大同矿区，这些钻孔在布设过程中就要综合考虑分析，在满足钻孔施工目的的同时，尽量做到一孔多用，比如石炭系采煤工作面瓦斯抽放孔可以兼做探测上覆侏罗系采空区及积水情况钻孔，施工过程中如遇采空区有水，可以根据实际情况将钻孔改造成地面探放水孔、地面抽水井等，一个钻孔往往可以有效解决多重问题。
3.3.2 有效钻孔终孔位置反推煤层与采空区形态
有效钻孔是指揭露探测目的层位的钻孔，包括地面及井下的各类钻孔，有效钻孔的成果不仅是见采空区或者见实煤，还能揭露煤层或采空区的厚度、煤层的底板标高。同时，再辅以钻孔测井技术，这对于没有资料的小窑破坏区十分重要，可以充分利用有效钻孔的这些数据，绘制目的层的煤层底板等高线、钻孔见采空区位置分布图，进而推测小窑采空区的破坏范围、巷道走势等。进一步地，再依据这些数据对低洼处、可疑区进一步增补探孔，进而达到采空区探测、积水排放和安全采掘的目的。
3.3.3 井下定向钻进技术在探测采空区中的应用
井下定向钻进技术具有探测深度大、探测精度高的特点，弥补了当前地面普通钻机在无巷道情况下不能放水、定向性差、受地形因素制约严重、井下钻机钻进深度浅、钻孔精度低的缺点［7］，该技术在大同矿区已广泛使用。在此以煤峪口矿为例，简单介绍定向钻进技术在探测采空区、疏放采空区积水中的应用。
煤峪口矿14#煤层402盘区主要水患集中在上覆11#煤层402盘区的多个采空区内，预计积水量65.7万m3。为了清除采空积水影响，解放14#煤层402盘区煤炭资源，在402盘区采煤工作面未开拓前，在900大巷共设计施工3个井下定向钻孔疏放11#煤层采空积水，定向钻孔累计进尺2200 m，放水65万m3，目前仍以700 m3/d的速度在排水，具体钻孔轨迹如图3所示。
图3 煤峪口矿900大巷疏放11#层采空区积水定向钻孔轨迹示意图
3.3.4 综合立体探放技术在“双系”煤田老空水疏放中的应用
随着大同矿区矿井不断延深开采，面临的水患情况不再是单一类型，解除一个工作面水患往往需要多种技术方法综合应用［8］，为此建立了一套“双系”煤田老空区积水综合立体探放技术，如图4所示，即通过井下水仓地面永久排水系统、地面探放水孔井下排水、地面钻孔贯通采空区直排系统、地面大孔径抽水井、井下深孔放水、老矿井分流等多种方法对老空区积水进行立体探放，并已在多矿进行了应用，取得了良好效果。以同忻矿为例，石炭系5#煤层开采受上覆侏罗系3#、8#、12#、14#等多层、大面积老空水的影响，通过综合应用多种探放水技术方法对积水立体排放，总排水量达700多万m3，成功解除了工作面水患。
图4 综合立体疏放技术示意图
4 结语
大同矿区由于双系煤层赋存，且赋存层位多，开采后采空区内积水积气、矿压显现等为下组煤开采乃至矿井安全生产都造成一定威胁，以上相关技术是大同矿区多年来在采空区综合探测治理方面总结出的一些切实可行的技术经验与手段，在实际采空区探测过程中往往综合运用多种探测手段，以提高探测准确性。
［1］ 刘士斌，李建民，田士静等.大同矿区侏罗纪煤田地质总论［M］.大同：大同矿务局出版社，1996.
［2］ 贾炳文，刘士斌，张玉三等.大同侏罗纪含煤地层沉积环境与聚煤特征［M］.北京：科学出版社，1991.
［3］ 辛成华.大同煤田北部石炭-二叠纪含煤地层特征分析［J］.山西煤炭，2013，33（3）：77-78.
［4］ 王培盛，阎志义，聂秀英.大同矿区采空区积水的预测与防治［J］.煤矿安全，2003，34（7）：26-28.
［5］ 董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用［J］．地学前缘，2003，10（1）：171－176．
［6］ 甘斌，薛建球，侯利朋等.高密度电阻率法在水文地质和工程地质勘查中的应用［J］.青海大学学报.2014，35（3）：46-51.
［7］ 李泉新，石智军，史海岐.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用［J］.煤田地质与勘探，2014，42（2）：85-88，92.
［8］ 米晓波，高宇平.大同煤田采空区积水探放技术综合应用与研究［J］.山西煤炭，2014，34（2）：73-74.
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