大同白洞矿采空区积水防治技术研究

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

单位：同家梁矿

姓名：赵晨德

职务：矿长

 

 

 

 

 

 

摘  要

 

 

采空区积水防治技术是煤矿有效控制水害事故的重要工作。本文采用统计分析、理论研究和现场试验的方法，在分析大同煤田的区域水文地质特征、含水层、隔水层及矿井充水因素的基础上，结合当前采空区积水防治技术，确定了白洞矿采空区积水的防治技术手段和措施；通过白洞矿303和402老空区探放水的研究，确定了白洞矿探放水的方案及安全措施；在此基础上，对白洞矿8104工作面上部积水的探放水方案进行设计，并成功应用于现场，为白洞矿采空区积水防治提供了科学的技术和方法，对白洞矿安全生产有着重要意义。

 

关键词：采空区，积水，防治技术

 

 

 

 

 

ABSTRACT

 

Gob water prevention and control technology is a prerequisite in the effective control of coal mine water accident. Adopting the methods of statistical analysis, theoretical study and field test, the author analyzes regional hydrogeology characteristics, aquifer, impermeable layer and mine water filling factor in Datong Coalfield, and combine with the currently gob water prevention and control technology, ascertains measures of prevention and control of Baidong mine gob water. According to the research on water detection and drainage of 303 and 402 old workings, determines programs and safety measures of detection and drainage of Baidong mine. Based on the above research, the author designs the detection and drainage technical measures of upper dropsy of 8104 working face, and successfully applies to production, and provides scientific technology and method of gob water prevention and for Baidong mine, and has great significance on ensuring safety production.

 

Key words:  gob, gob Water, prevention and control technology

 

目     录

 

1 引言 1

1.1 研究意义 1

1.2煤矿探放水研究现状及存在的问题 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.2.3 煤矿防治水存在问题 7

1.3论文研究内容及技术路线 7

1.3.1研究内容 7

1.3.2技术路线 7

2水文地质特征 9

2.1区域水文地质概况 9

2.2矿井水文地质条件 12

2.2.1含水层的分布与特征 12

2.2.2隔水层特征 15

2.2.3断层的水文地质特征 17

2.2.4地下水补给、迳流、排泄条件 18

2.2.5水文地质类型 19

2.3矿井充水因素分析 19

2.3.1地表水及大气降水充水特征 19

2.3.2采空区积水充水特征 20

2.3.3永定庄组、太原组砂岩裂隙水充水特征 21

2.3.4奥陶系岩溶水充水特征 21

3矿井探放水技术研究 25

3.1矿井水害 25

3.1.1防治技术 25

3.1.2抢险救灾技术 26

3.2老空区积水 28

3.2.1老空区积水特征与危害 28

3.2.2老空透水事故分析 28

3.2.3老空透水事故事件树模型 29

3.2.4老空水水害的分类 30

3.3老空水形成机制 31

3.3.1聚水空间 32

3.3.2充水水源 33

3.3.3充水通道 34

3.3.4老空积水区的确定方法 37

3.5老空积水的排放 38

3.5.1巷道掘进期间的排放 38

3.5.2地面打井抽水 39

3.6探放水安全技术措施 39

3.6.1探放水前的准备工作 39

3.6.2技术要求 39

3.6.3探放水的安全措施 40

4白洞井田内303、402老空区积水探放设计 42

4.1白洞井田内老空积水概况 42

4.1.1积水边界确定 42

4.1.2积水量计算 42

4.1.3探放水方案 43

4.2探放水设计 45

4.2.1探放水钻孔的定位 45

4.2.2探放水钻孔结构 47

4.2.3钻孔内放水管结构 48

4.2.4放水管路设计 50

4.2.5放水工程费用预计 51

4.3施工技术安全措施及安全防护措施 52

4.3.1施工技术安全措施 52

4.3.2防护措施 53

4.4实施效果 53

5结论与展望 57

5.1结论 57

5.2展望 57

参考文献 58

致谢.................................... ........................ ......... .... ... .. .....................................................................61

1 引言

1.1 研究意义

在我国一次性能源结构中，煤炭占70%以上。据有关部门规划，未来二十年中我国能源消耗需求将增长一倍左右，其中煤炭将会达到26亿吨（占72%左右），仍将是我国能源消费的主要部分。我国煤炭生产主要是地下作业，由于煤层赋存的地质条件复杂多变，经常受到瓦斯、水、火、粉尘及顶板等自然灾害的威胁。近几年水害事故呈上升的趋势，透水是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害。煤矿水害极大影响了矿井的安全生产，一旦发生，很容易造成井下工作人员的死亡，并摧毁井下的生产设备，破坏巷道。

2005年全国煤矿共发生透水事故事故109起，死亡605人，其中发生一次死亡线10 人以上的特大事故13起，死亡360 人，同比分别上升160%和233.6%，分别占全国煤矿特大事故的22.4%和20.7%，发生一次死亡30人以上的透水事故3平起，死亡193 人。2005年以来，全国煤矿重特大水害事故多发，给国家和人民生命财产造成了巨大的损失。

大同煤田主要赋存于古生代石炭二叠纪煤系和中生代侏罗纪煤系，随着侏罗纪煤资源的枯竭，石炭二叠纪煤系的开发利用已成为很现实的问题，而石炭二叠纪煤系的开采除了其他的矿井工程地质问题以外，最主要的障碍就是采空区积水的“突水”威胁。矿井突水是指煤矿在正常生产中突然发生的来势凶猛的涌水现象^[]，它是矿井五大灾害之一。

我国多年矿井水害预防及治理的理论和实践表明，矿井水文地质环境特征、突水机理和突水预报和监测是矿井水害预防及治理研究的中心内容。矿井水文地质条件是矿井水害治理研究的基础，突水机理是核心，预测预报是主要目的，三者相辅相成。目前，对矿井水害防治的研究在理论上还处于探索阶段，在工程上远远满足不了煤炭工业现代化安全生产的需要，而且尚有许多问题没有得到解决，如对岩体在矿山压力、原始构造应力的影响下，在水的作用下的变形、破坏、失稳，尤其是对强渗、突水通道的形成条件和突水机理的认识还相当模糊^[-,,,^]。

矿井水灾害防治是煤矿安全生产必须解决的问题。从矿井突水原理理论入手，针对煤田采区地质特征，分析研究地质构造和水文地质特征，探索地下水运动规律，加强突水后的排水堵水研究，探讨矿井突水的原因及防治措施，为快速治理突水提供更可靠的技术保障措施，此项研究对煤炭生产具有积极深远的意义^[-,,,^]。

大同煤田由于其开采历史久远，在煤田范围内存在着大量的古窑、小煤矿，据初步统计有三十多处，这些小窑大都分布在2、5、7、8号煤层。大同煤田侏罗系煤层埋藏较浅，可采煤层大约为21层，且各煤层采空区之间纵横交错，非常复杂。在采空区的低洼处易集积一些积水，积水量大小不一，少的有几千立方米，多的可达到数万立方米^[]。再加上大同矿区煤层顶板坚硬、性脆，易形成大面积的塌顶，因顶板冒落而形成采后裂隙，此时又扩大了原有的采动裂隙，并形成直达地面的裂缝和塌陷。充水水源通过裂隙、裂缝等通道进入矿井和煤层采空区，形成矿井采空区积水。由于采空区积水的存在，给煤矿的安全生产带来巨大的潜在威胁，如果对积水区的水量、区域等资料调查不清，不能采取有效地预防手段，将会造成严重的水患事故发生^[]。

近年来，随着大同煤田范围内小煤矿的关闭，在生产矿井范围内了出现了由于废弃矿井而产生新的积水源及导水通道。对废弃矿井在关闭过程中缺乏切实可行的水害监测及防范措施，对可能诱发的矿井水文地质条件的变化缺少理论研究与分析，对废弃矿井相关工程和技术资料的不能进行有效的系统整理与管理，不能注重废弃矿井突水条件的研究及防范技术措施准备的工作，极可能引发灾难性的突水事故^[,]。同时，大同煤田部分矿井因侏罗系资源枯竭而向石炭系延伸，在采掘过程中，由于煤层间距过大，无法从石炭系煤层向侏罗系采空区实施井下探放水，上覆采空积水探测、施放成为急需解决的难题^[,]。本文研究意义即着力解决上述问题，并以大同煤矿集团白洞矿为例，对本文形成的采空区积水探放技术理论在生产实践中予以优化、改进。

1.2煤矿探放水研究现状及存在的问题

1.2.1国外研究现状

矿井水害的防治技术属于能源技术领域的一项重要课题。自本世纪七十年代以来，国外矿井防治水技术有了很大的发展，含水层预先疏干降压方法逐渐取代了被动排水，在矿井防治水发展趋势中占有主导地位。围绕疏干降压的防治水方法，发展了相应的钻探、排水新技术，如潜水泵的扬程可达35-1000m，排水量达126-5000m³／h。目前，国外矿井疏水降压已采用计算机进行自动控制，这使得疏干技术水平大大提高了一步。由于矿井排水成本越来越高，一些国家开始试用堵水截流的方法，堵水截流的方法主要用于建井阶段施工井筒和巷道，普遍认为在生产阶段，由于巷道纵横，堵水截流不能替代疏水降压。因而，国外矿井防治水方法主要采用地面管井疏干降压，堵水截流只作为一种辅助措施^[]。如美国认为，即使岩溶水矿区，也只有少数矿井可采用堵水截流的防治水措施，多数仍需疏干降压。老空水下防水煤柱的合理留设是煤矿防治水的重要措施之一。波兰的安全开采规程规定，在有含水层下的煤层露头处所要留设的安全煤柱高度为所要开采煤层厚度的8倍，并且这种煤柱的最小垂直厚度不少于20 m。相对而言，印度规定的水源与作业场所之间的距离更大一些，一般要求为在所有方向上均要达到60m^[]。

与此同时，围绕这种疏干降压这种防水方法，发展了相应的钻探新技术^[]。在物探方面，德、英、法、美率先使用了槽波地震法来探测断层，比利时采用矿井地震仪探测采矿应力分布。匈牙利采用综合物探方法探测落差大于20m的断层、煤系中的含水层、隔水层厚度及煤系底部含水顶板的起伏等。在地面物探方法上，东欧各国应用电法较多，美国及西欧国家应用地震法较多。此外，测井法、重力法、无线电波法、声波也有利用。水文地质勘探方面，国外仍主要采用抽水试验，如美国采用钻管试验法，匈牙利采用脉冲干扰试验法。德国和美国还采用了高敏感度压力计，可以测出含水层的压力差、从而获取含水层导水系数和贮水系数。

国外在煤矿采空区探测方面的文献较少^[-],^[],^[]，且主要集中在利用瞬变电磁技术方面。King，A^[]利用瞬变电磁技术成功的找到煤田。美国的Garg和Keller^[]利用空间和时间滤波延拓技术成功圈定出了TEM测区范围内异常体大致所在的位置。Quincy，E.A.及Moore，D. F.^[]利用瞬变电磁技术探查了美国怀俄明州的一所煤矿自燃形成的采空区。美国的Barnett^[]认为围岩的电阻率很高，目标体可以假设成是被隔离的导体，而从地表所观测到的瞬变二次场可以看做是薄板导体内不同感应等效电流线圈所产生的。因此，使用数学中的最小二乘法可以反演得出不同延迟时间的感应等效电流线圈的位置和大小，以此来获得薄板导体的各个几何参数^[-],^[],^[]。

1.2.2国内研究现状

为了有效地防治和遏止煤矿水灾的发生，从各大院校到科研单位、从理论到方法手段等都进行了各种途径的研究和实验，并收到了不同程度的效果。

（1）突水机理

在理论研究方面取得了新的突破：诸如：①矿井水文地质条件分类理论研究；②矿井突水机理理论研究；③利用水文地质参数，采用电模拟方法确定地下水流畅的理论研究；④注浆堵水技术结束标准理论研究，等等。

中科院地质所徐学汉、王杰、凌荣华等利用工程地质力学理论与方法研究煤矿突水预测预报^[]，王永红^[]、肖洪天^[]、李金凯^[]、张玉卓^[]、孙振鹏^[]、李加样^[]、张文泉^[]、蒋金泉^[]、王梦玉、章至浩^[]等，从不同角度研究，为突水机理研究方法也做了很多有益的探索，并为飞禽走兽老虎机做了大量实际工作。

（2）老空水预测、预报方法

另外，在煤矿突水预测、预报综合研究也取得了很大进展^[]。

①资料分析法

在分析、预测下层煤可能遇到的采空积水问题时，首先要做的是分析研究即将开采的工作面水文地质情况，其次是结合上部煤层开采的实际情况，从而能够更准确的了解突水问题，当发现有突水隐患时，有针对性的提出预测及防治方法。在采掘上下两个煤层时，详细记录上层煤开采工作面的水文地质情况并填绘到矿井充水性图上，这样，在采掘下部煤层时能够参照并分析充水性图，根据分析所得到的结果及时的预测、预报，采取井下或者地面探放方法消除积水隐患^[]。在实践中，上层煤的低洼处易形成老空区积水地带，利用煤层底板等高线图，探放上层煤的积水区，消除开采下层煤时的突水隐患^[]。

②小窑调查法

调查了解矿井邻近的古窑及各小煤窑的开采情况，将调查资料真实的填绘到图纸和台帐上。开采下层煤时，根据其煤层赋存特征反推出上层采空区情况^[]。对有危害的小窑积水区，在条件允许的情况下，可利用下泵接水管直接排放积水。

③物探法

对老空水探测，还有地质雷达、三维地震、瞬变电磁场、电阻率法等探测方法。①上部采空区有积水的情况下，利用地质雷达方法探测出下部采空区采动裂隙带的范围，从而设计出合理的保护煤柱宽度，预防下部工作面突水的发生^[]。②利用三维地震方法解释老窑采空区，一方面是从己知资料出发，在反射波对比的基础上，选择显著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相轴的消失、扭曲、突变等异常现象，最后圈定出老窑采空区^[]。③为了探查出矿区地下水地质体的分布及其导含水条件，可以采用地磁探测技术观察地下地质体中的电性分布规律。阳泉矿区采用频率测深(CSMT)技术和瞬变电磁场(TEM)勘探技术对采空区的积水边界进行了探测；神华集团活鸡兔矿利用自动电阻率法成功探测出12205工作面采空区溃沙溃水通道；河北金牛能源公司东庞矿采用直流电探测技术探测某个工作面积水小煤窑采空区。

三维地震和瞬变电磁场能够确定采空区的积水边界。另外，煤层及采空区等地质条件探测一般应用三维地震^[]探测技术，而采空区和煤层上下地层积水范围的探测应用电磁探测技术。姜博洋^[]利用瞬变电磁技术探测技术有效的对工作面上覆采空区积水进行探测，陈永新^[]、崔占锋^[]同样利用该技术探测巷道前方及煤层顶板富水区，为井下水害预报和防治提供可靠依据。

④钻探法

在老空区附近采掘时，首先应调查清楚老空水的情况，按照防水规定实施探放水工作。在探放时，根据开采煤层的赋存及工作面布置，将探放类型分为同一煤层采空区水探放和近距离煤层组上部采空区水探放两类。在设计钻孔时，严格按照探水钻孔技术要求设计。根据水压大小，对钻孔放水的巷道迎头和钻机本身采取一定的加固措施。另外，采用负压通风预防有有毒有害气体喷出，并保持水沟畅通。针对老空区集聚积水量较大时，需要建立单独的临时泵房和水仓，并加大排水能力^[]。宋玉平^[]用钻探技术地表排放井下采空区积水。

（3）防治水工具

在防治水工具方面也取得了一定进展。由最初引进国外SSS-1井下防爆地震仪、井下横波地电仪、高分辨率地震仪等，到自行研制了一批具有较高水平的探测仪器，如煤炭科学院研究总院重庆分院研制的超前距为40m的井下地质雷达；西安分院研制的防爆数字直流电法仪、高灵敏度井下防爆测温仪、钻孔水位遥测仪等^[]。

（4）探测技术

采用同位素氚等示踪剂进行连通试验，利用环境同位素判别出水源，揭示地下水运移和用微量特征鉴别补给水源等^[]。由于很难严格区分含水层地下水常规组分的差别，促使人们寻找环境同位素和微量元素法进行研究。在用微量元素判别突水水源的研究领域，杜和荣、宋晓梅、陈陆望等^[,]分析了皖北矿区的主要含水层微量元素化学特征，并利用数学中的主成分分析方法，建立了该矿区突水水源的主成分表达式，进而为判别矿井突水水源提供了理论依据；翟建山^[]利用激发极化法探测煤层采空区积水，处理视电阻率和激发极化参数，并分析所得到的曲线，最终确定某煤层的采空区积水范围；陈陆望^[-],^[],^[]等研究皖北矿区地下水同位素水文地球化学特征，给出了深层地下水新的识别模式；庄稼^[]研究鹤壁矿区五个主要含水层地下水环境同位素的特征，标志出主要含水层地下水的同位素，从而达到了快速、准确地判定矿井突水水源的目的； 

判别矿井突水水源的首先要找出各个含水层水质的“标型元素”，并在此基础上识别突水水源。“标型元素”是指在地球化学勘查中，对矿化、矿床或勘查对象的类型、成因及其他特征具有确认能力的指示元素，该元素可以是离子或离子的组合、气体、化合物等多种形态。利用标型元素识别突水水源，利用较多的是piper二线图、单个标型组分含量值特征法、不同标型组分含量相关关系法等。高卫东^[]等分析了徐州矿区不同含水层地下水主要化学特征，并应用水化学法和灰色关联度理论对该矿区董庄煤矿曾发生的一起突水事故进行了预测，判断结果较可靠；李栋臣^[]曾在1995年论述了灰色关联度法和综合要素法两种方法，用于识别白庙煤矿主要含水层水化学特征和突水水源，以此为基础预测了白庙煤矿的突水水源，取得了非诚好的效果；李明山^[]等研究姚桥矿的四个含水层水文地球化学特征，提出了各层所特有的水质模型，确定出判别矿井水源依据的水溶组分，从而为矿井防治水工作提供了依据；葛中华^[]等运用水化学常规方法，分析了徐州某个矿井的地下水中的各含水层的水文地球化学特征，从而为矿井突水水源判别提供了水文地球化学根据。此外，成春奇^[]、赵华^[]等也在利用矿井水质判别突水水源方面做了研究。李世峰^[]利用水化学常规方法，分析研究了太行山中段奥陶系岩溶含水层地下水水化学特征，提出了不同水文地质单元中地下水水化学特征的时空分布规律，为岩溶水的管理、利用以及矿井水害的防治提供了有效依据。 

数学模型在常规水化信息判别矿井突水水源的研究中应用的越来越广泛，模型主要有贝叶斯逐步判别分析模型、灰色关联度模型、灰色聚类模型、模糊综合评判模型、神经网络模型^[]、物元分析和对应分析^[]模型等。现代地球化学、数学和计算机技术的发展，使得利用数学模型对矿井水化学数据进行处理并分析，利用其为判别突水水源成为可能。科学的发展，将数学与地球化学紧密结合起来，使地球化学能够数学化、定量化，给矿井水害防治带来了极大的好处^[-],^[],^[]。

利用物理探测技术寻找水源，研究不同含水层的微温差、微电导等，确定补给方向和寻找隐伏导水构造等方法，在一些矿区也取得了显著成效。王俊茹、张龙起等^[]利用人工地震方法探测采空区岩层塌陷，并指出在使用该方法时，野外工作参数对探查采空区岩层塌陷破碎带的效果有显著的影响；陈相府等^[]研究了地震波在采空区上的传播特点，并通过具体应用论述了浅震在采空区勘测中的数据处理，分析、解释所测的数据的实际意义，证实了浅震在采空区勘探中的有效性。杨进、武炜^[]等研究了人工地震在地质灾害中的应用。程久龙、胡克峰等^[]对煤矿采空区的地球物理特征进行了分析并结合探测的主要技术，应用探地雷达探测了地下浅层采空区，取得了较佳效果罗周全、刘晓明等^[]利用空间三维激光探测系统对采空区进行精密探测，从研究的结果可以看出该技术对采空区体积、采空区顶板面积、采空区实际边界等的确定有较好的应用。闫长斌、徐国元等^[]应用地质雷达及瑞雷波综合探测技术，探测采空区的分布情况；张志沛、姚亚峰等^[]分对煤矿采空区注浆前后钻孔内不同岩性的声波波形与波速特征的不同进行分析，发现利用声波技术对采空区及其注浆质量能够进行了非常好的检测和评价；刘敦文、古德生^[]等以试验模型为基础，研究了地质雷达对不同采空区充填物的反映情况，并进行了现场模拟试验，通过试验分析研究了采空区内充填物类型与状态，得出了应用地质雷达技术可以高效、准确地探测采空区及充填情况的结论； 

（5）探放技术

对同层采空区积水及层间距不超过50m的上层采空积水处理，井下探放方法是一种简便易行、效果较好的方法。根据预测资料，有目的、有位置的施工，确保该方法的有效。在开采老空水下煤层时，首先要查明积水区的空间位置、可能的积水量及水压，并在采掘工程平面图上标明积水区最低点的位置及积水外缘的标高，以利于编制出可行的探放水设计方案，再选择适用、安全的采煤方法。

在探放采空区水实际应用中多采用钻孔疏排进行。针对采空区水两种不同类型，所采取的钻场布置与钻进工艺是有所区别的。作为探放水工程关键的钻场布置设计显得更加重要，一般而言，同一煤层采空区水探放时，钻场布置在靠近采空区最低点的下方巷道；对近距离煤层探放时，选在采空区最凹处。

钻孔工艺：(1)在进行近煤层组采空区水探放工作时，一般采用岩芯钻进方法。这是因为一般情况下煤层间都有一定的岩层，所以在设计钻孔时，钻孔角度相对较大，而采用岩芯钻进方法钻进时，能够保证钻孔按照原先设计好的角度钻进。(2)对同一煤层采空区水探放时，由于是在煤层中设计钻孔，所以相对前者而言，钻孔角度设计较小，再加上矿山压力的影响，打钻较困难；另外，孔内跨孔现象频繁的发生，导致钻进更加困难。针对这种情况，一般采用三翼无芯钻进与螺旋钻杆钻进相结合的施工方法。开始时，采用三翼无芯风动方法尽可能钻进，但随着钻进深度的增加，孔深处排渣效果不佳，此时要改为螺旋钻进方法进行排渣工作，以便能够保证钻进继续进行。如果遇到软煤层，可先采用超前孔注浆加固工艺而后再进行钻进施工，保证钻进继续。

探放水钻孔设计的根本目的是疏排采空区水体，钻孔的作用就是作为导水通道。但随着钻孔的加深，煤渣及岩块会堵塞钻孔，而导致流水不畅，所以要尽可能的保证孔内无堵塞，使钻孔发挥导水作用。钻孔一般要求为2级结构，另外孔内还要下入一定长度的孔口管，这样能够有效的保证排水。在同一煤层钻进时，套管深度要尽可能地下入，最好是能够到达采空区中，保证排水的高效。而在近距离煤层探放时，要根据岩层的工程地质性质适量下入。在钻孔孔口处安要设压力表等常用工具，保证水压在所能够承受的范围内。在使用孔口套管前，要经注浆加固并经耐压试验检验，使套管合格方可进行钻进工作。杨春林^[]对探放时钻空设计有详细、透彻的分析、研究。

在钻孔接近或者导通采空区后，开始时，预计水量较大并伴随瓦斯或其它有害气体溢出。因此，为了预防有毒有害气体的涌出与集聚，保证探水作业点有足够的新鲜风流，要加大通风，并制定瓦斯防突措施。在积水疏放完毕后要及时封孔，以防有害气体溢出。钻场处排水设施要派专人看护并保证设备的有效，为排水做好准备工作。王少军^[]利用该技术使丰城市河东煤矿的采空区积水问题得到了有效解决。王永华^[]采用探放水技术有效解决了窄隔离煤住的采空区积水问题。朱现民^[]研究煤矿采空区积水规律，提出边探、边掘的探放水措施,解除了掘进和回采工作面的水患,确保了掘进和回采工作的顺利推进。王素娜^[]用套管技术探放工作面顶部采空区积水，解除了对工作面的威胁。

（6）井下疏导法

在开采煤层过程中，要尽量将井下低洼处形成的积水疏排到地表，其目的是减少井下采空区积水的形成。另外，在开采煤层时，对同层相邻的积水要坚决想办法排出，防止在开采下层煤成为潜在的隐患。

（7）地面打钻排放法^[]

为了处理层间大的积水区，可以先从地面打钻穿越积水区，将积水排放到井下，然后再使用井下的排水设备将其排出地表。

（8）留设防水煤（岩）柱^[]

在受水害威胁的地段留设一定范围的煤（岩）层不采，使工作面和水体保持一定距离，以防止地下水或其它水源渗入工作面，这里所留的煤层称为防水煤柱。在遇到小窑老空区积水时，积水量很大又不宜疏干时应设防水煤（岩）柱，预防突水事故的发生。

（9）注浆堵水

在注浆前期应使用物探方法查明下伏含水层顶部的岩溶裂隙的分布情况，然后选择适当的注浆工艺将其封闭，并使其具有隔水层的作用，进而加大了隔水底板的厚度至大于临界厚度值。而对于断层较多裂隙发育完全的碎裂底板，首先要采取超前探测水，而后实施注浆，从而封闭了导水裂隙的贯通，加大底板岩层的强度 

其它技术，如全息高分辨率二维地震勘探、岩体原位应力探测、瑞利波勘探技术、多参数前兆监测仪、高灵敏度脉冲干扰技术、多参数巡回监测仪、探地雷达与钻孔雷达等新仪器、新设备、新方法在水害探测及治理中的也得到推广应用。

1.2.3 煤矿防治水存在问题

根据我国煤矿水害事故的特点及其产生事故的机理、原因，在矿井生产中对水害安全防范技术措施的要求方面上，应该解决以下几个方面的关键性技术问题。

（1）应加强煤层底板突水机理的研究

随着煤层开采深度的增加，开采中遇到了较大矿山压力、越来越复杂的地质条件的和围岩应力的变化，如果继续采用浅、中部煤层的防突水措施来指导大埋深、高地应力、高水压煤层的突水工作，必然会给生产和安全带来误导。因此，必须通过新的技术方法研究在新的地质条件及水文地质条件下的防突水措施（象同煤集团现在放顶煤工作面一般走向宽都在200多米以上，采、放高度可达到20多米），对煤层底板水的突水机理和控制因素的影响更应该放在首位。

（2）加强对隔水层防突水效应的研究

矿井突水有三个主要因素即水源、水量和导水通道^[]，以前的研究主要针对于水源和水量，利用各种方法找到突水源及其突水量，而对突水通道研究较少，在煤层的隔水带的研究中更显得薄弱。煤层采深日益加大，以前的疏降难度工作变的更加困难，另外对水资源的保护也越来越受到重视，从而对隔水层的研究工作变的更为迫切。

（3）加强底板突水监控预警技术及装备研究

在矿井底板水害突水机理及主要影响因素研究基础上，利用现代先进技术如突水信息动态分析、人工智能判别技术、突水因素适时检测技术等收集突水信息，通过传感器观察突水前影响因素的各种参数变化情况，从而能够起到预报的作用。

（4）加强隐伏导水构造精细探查技术与装备研发

在研究总结地质探查技术装备基础上，结合相关专业学科的先进技术，提出对隐伏导水构造大距离探查技术装备的研究，从而能够消除隐伏导水构造对煤层安全的影响。

（5）加强对水害快速处理技术与装备的研究

煤矿突水预测技术能够有效的降低事故的发生，使事故发生前得到遏制，但有时预测也是不准确的，而发生突水事故，所以对水害发生后的快速处理技术及装备的研究也是非常重要的。突水发生后针对突水水源的快速判别、出水点的封堵等装备的设计有待加强。

1.3论文研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

以大同白洞矿老空水为研究对象，结合地质学、水文地质学、煤田勘探理论，对煤矿老空水形成机理、老空水防治进行研究，优化探放水方案：

（1）分析白洞矿地质特征和水文地质特征，研究白洞矿老空水的主要特征。

（2）分析白洞矿老空水聚水空间、充水通道、充水水源，研究白洞矿老空水充水机制。

（3）分析白洞矿主要探放水技术手段，以及透水后的抢险救灾技术。

（4）对白洞矿老空水进行探放水设计，对直通式探放水技术措施参数进行优化，确定最佳技术参数。

1.3.2技术路线

采用理论与实践相结合的手段进行课题研究。

（1）整理国内外采空区防治水理论和研究成果，了解有关理论和技术发展的最新动态。

（2）全面分析大同煤田各生产矿井历史及近几年的防治水资料，收集地表水系、井田内含水地层、隔水层分布特征、构造水文特征、地下水补给、径流、排泄特征等相关资料，详细划分并确认其水文地质类型，为判断防治技术的有效性、可操作性奠定基础。

（3）根据水文地质类型及物探成果确定防治水方案，包括水害征兆监测，钻孔位置、孔数的布置，排水系统的配备，避险路线、措施的准备等。

（4）根据白洞矿老空区积水的实际情况，采用本文提出的探放水方案进行实验。结合现场实验考察其效果，证明采空区积水防治技术的可行性，以经济、适用、可靠为前提，提高采空区积水的治理效果，为进一步深入研究积累理论基础和实践经验。技术路线如图1.1。

图1.1 技术路线图

Fig.1.1 The technique route chart

2水文地质特征

2.1区域水文地质概况

大同煤田位于飞禽走兽老虎机：北部，介于口泉山脉与牛头山脉之间，四周为强烈上升的中高山地形，煤田内部地势变缓，为低山丘陵地貌。大同煤田为一北东—南西向向斜构造，东南翼窄，地层倾角陡，构造较复杂，西北翼宽广，地层及构造简单。区域内出露地层有太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系及第三系、第四系。区域内河流由北至南以次为十里河、口泉河、鹅毛口河、小峪河、大峪河，白洞矿位于口泉河流域。口泉河发源于左云县尖口山一带。流域面积600km²，全长50km，河宽20-150m，树枝状水系，一般流量0-0.2m³/s，最大洪峰流量691m³/s（1988年7月12日）。区域地下水以大气降水为主要补给来源，其次为河流的渗漏补给，由于侏罗系、石炭—二叠系煤层均已开采，矿坑排水已成本区碎屑岩裂隙水的主要排泄方式，岩溶水由于矿坑排水和人工取水而使岩溶水的流场产生了变化，岩溶水仅有少部分排向了神头泉，大部分岩溶水则通过矿坑排水，人工取水排泄或由口泉沟、鹅毛口沟、小峪口、大峪口等沟口潜流排向了大同平原。

区内含水层根据地下水赋存空间的性质，结合岩性组合特征划分为变质岩裂隙含水层，岩浆岩裂隙含水层，碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，碎屑岩裂隙含水层和松散岩孔隙含水层。

变质岩裂隙含水层主要出露于煤田东部边缘地带，岩性为花岗片麻岩，含榴长英片麻岩，浅部岩石风化，赋存风化裂隙潜水，泉水流量一般小于1L/s，含水性弱。

岩浆岩裂隙含水层分布于煤田北部，岩性为灰黑色玄武岩，玄武岩的原生柱状节理较发育，出露泉水流量一般2-10L/s，大者达70L/s，富水性中等。

碳酸盐岩主要出露于煤田西北边缘，东部呈条带状分布，煤田内部则构成了煤系的基底。本区位于神头泉域的北部，由于地壳差异性的升降运动，煤田内部寒武—奥陶系灰岩均有不同程度的剥蚀，其中北部剥蚀程度强于南部。十里河以北及十里河附近煤系基底为寒武系地层；十里河至鹅毛口河之间奥陶系中统地层均已剥蚀，煤系基底则为奥陶系下统地层，并且具有南厚北薄之趋势；鹅毛口河以南煤系基底则为奥陶系中统下马家沟组地层。根据大同煤田多年的勘探证实，本区岩溶发育及富水性与岩性，构造及补、迳、排部位关系密切，其中构造控水作用极为明显。口泉沟至十里河之间，钻孔揭露灰岩厚度一般为50m左右，北部燕子山井田，晋华宫井田，云岗井田揭露地层为寒武系上统，中统地层，岩性为竹叶状灰岩，泥质条带状灰岩，鲕粒灰岩；南部揭露为奥陶系下统地层，岩性以白云质灰岩为主。该地段岩溶以溶蚀孔洞、溶蚀裂隙为主，局部有溶洞发育，如燕子山井田Y1402号孔揭露灰岩50m，见0.3m溶洞，富水部位主要在十里河沿岸以及口泉沟下游，靠近排泄区部位，十里河附近钻孔单位涌水量0.793-1.328L/s.m，口泉沟下游地段钻孔单位涌水量0.1-0.2L/s.m，其它地段单位涌水量一般小于0.1L/s.m，在0.01-0.05L/s.m之间。口泉沟至鹅毛口沟之间，钻孔揭露灰岩厚度在50-150m之间，一般在100m左右，揭露地层为奥陶系下统亮甲山组、冶里组地层，岩性主要为白云质灰岩，薄层泥灰岩，泥质条带灰岩，揭露灰岩0-50m岩溶较发育，岩溶以蜂窝状溶孔为主，在构造部位有溶洞，如塔山矿主平硐掘进到亮甲山组距离灰岩顶界30m时，揭露溶洞一处，体积1882.9m³，该溶洞与周围含水层水力联系差，属古岩溶积水。灰岩顶界50m以下岩溶发育渐弱，岩溶形态为断续的溶蚀孔洞，连通性极差。本地段富水部位主要位于塔山井田东部煌斑岩侵入通道东西向断层组以及西部王村矿附近和鹅毛口沟口的地段，上述地段断层均很发育，钻孔单位涌水量为0.05-0.2L/s.m，一般均大于0.1L/s.m，单井出水量400-700m³/d，富水性中等；远离构造部位岩溶发育极弱，钻孔单位涌水量一般小于0.02L/s.m。鹅毛口河以南地区，揭露灰岩为奥陶系中统下马家沟组，下统亮甲山组，该区富水部位主要位于元堡子—黄家店之间的东西向断层组、玉井一带以及小峪口、大峪口，红山峪各个峪口，上述峪口是岩溶水的排泄部位，特别是小峪口至大峪口之间，由于边山口泉断裂的作用，次一级的断层也很发育，王坪煤矿主平硐揭露奥陶系下统灰岩时，遇断层突水，初期涌水量7000-10000m³/d，由于长期排水以及附近小峪煤矿、峙峰山煤矿开采岩溶水，王坪煤矿平硐岩溶水的涌水量已大为减少，目前仅为1200m³/d左右，各个峪口施工的水源孔出水量为500-2000m³/d，富水性中等—强，偏离构造部位，含水层的富水性弱，水井涌水量一般不会大于300m³/d。

大同煤田位于神头泉域的北部，属于神头泉域的一部分，在天然状态下，岩溶水一部分由西、北向东迳流运动，由各个峪口排泄，另一部分则由西向南由神头泉排泄，近些年来，由于人工取水，矿坑排水以及降水量的减少，岩溶水的水位普遍下降。口泉沟沟口上世纪60-70年代岩溶水水位标高在1170m左右，现在已降至1000m以下；鹅毛口沟沟口以往水位标高1170m左右，2007年柴沟煤矿施工的水井岩溶水水位标高为1072m；小峪煤矿从2004年开始取用岩溶水，当时的静水位标高为1169m左右，目前取水量为3000m³/d左右，动水位为1086m，这也是邻近王坪煤矿平硐涌水量减少的原因之一。以上资料表明并结合大同煤田奥灰水区域等水位线图分析，大同煤田岩溶水流向神头泉的水量已很少。

碎屑岩裂隙含水层由侏罗系、二叠系、石炭系砂岩组成，区域内侏罗系煤层已大规模开采，煤层以上含水层结构已遭破坏，砂岩裂隙水向采空区汇集，一部分由矿井排出，一部分形成了采空区积水；石炭、二叠系砂岩含水层富水性受地形、地貌、岩性、构造及埋深控制，北部侏罗系地层覆盖区，砂岩含水层埋藏深，岩石的节理、裂隙一般不发育，单位涌水量一般都在0.001L/s.m以下，含水性极弱；鹅毛口沟以南地区，石炭、二叠系煤层多已开采，矿井涌水量为100-1000m³/d，含水性也是弱的；目前仅在马头道以北白垩系地层覆盖区，碎屑岩地下水还处于天然状态，白垩系含水层为泥质胶结的砂岩，砂砾岩，呈半胶结状态，浅部水井出水量一般小于50m³/d，富水性弱，其下的石盒子组，山西组、太原组砂岩含水层，由于有白垩系地层的覆盖，补给条件极差，单位涌水量0.006-0.024L/s.m，富水性弱。松散岩孔隙含水层由第四系冲洪物组成，分布于河谷两岸的一、二级阶地和河漫滩，厚度0-51.33m，河床冲积层以砂、砂砾石为主，厚0-11.31m，单位涌水量0.2-9.47L/s.m，渗透系数5-224m/d，口泉河由于受周边煤矿的开采，富水性已大大减弱。

煤田内的主要隔水层为本溪组地层，一般厚20-50m，岩性主要为泥岩，铝质泥岩，是煤系下部良好的隔水层。在白垩系地层覆盖区，沉积了厚层的弱胶结的泥岩，是煤系上部良好的隔水层。

 

 

图2.1区域水文地质略图

Fig.2.1 Regional hydrogeological sketch map

 

2.2矿井水文地质条件

白洞井为低山丘陵地貌，地表大部分为黄土覆盖，山梁、沟谷中有大同组、云岗组地层出露，本区总的地势为南高北低，地面坡降一般在30°-45°，最高点位于南部白2003-2号孔附近，标高1502.59m，最低点位于北部十里河床，标高为1214.6m，为本区最低侵蚀基准面。口泉河由西南至北东流经本区中部，区内长5.25km，宽20-50m，平时主要由矿坑水补给，雨季区内及区外洪水均汇入口泉河，最大洪峰流量691m³/s（1988年7月12日），洪水位标高1222-1298m，白洞井主、付井位于口泉河左岸，井口标高分别为1257.94m、1258.08m，洪水位标高为1255m。在本区的上游王村矿、四老沟矿、挖金湾矿、雁崖矿矿井总的排水量约为8000m³/d，流入白洞井后，地表迳流量大为减少，大部分渗入大同组采空区，口泉河已成为渗透性河谷。

白洞井东界外为石灰岩出露区，区内石灰岩为石炭系煤系地层的基底，岩溶水位标高1010-1040m，石炭系可采煤层均为带压开采，本区位于岩溶水水文地质单元补给—迳流区。

2.2.1含水层的分布与特征

（1）奥陶系石灰岩含水层

奥陶系地层构成了本区煤系的基底，埋深400-550m，顶界标高770-890m，总体为一向斜构造，本矿有3个钻孔对石炭系之下的奥灰含水层岩性、含水性进行了了解，现分述如下：

白40号孔：位于本矿中南部，揭露奥陶系下统地层47.21m，灰岩埋深412.20m，岩性为灰白色的白云岩与深灰色的粉砂岩互层，共揭露粉砂岩4层，揭露白云岩岩溶不发育，仅有零星的溶蚀孔洞，简易水文观测，水位和消耗量没有明显的变化，耗水量极小。

白2008-3号孔，位于本矿的北中部，揭露灰岩97.50m，灰岩埋深401.06m，孔深401.06-463.96m，厚度62.90m，岩性为灰色粉砂质泥岩，粉砂岩，细砂岩与灰岩互层，共揭露砂岩与泥岩6层，灰岩局部破碎，有零星的溶蚀孔洞，洞径最大2cm，揭露地层为奥陶系下统。孔深463.96-498.56m，厚度34.60m，岩性为灰色石灰岩，为寒武系上统地层，揭露灰岩岩芯破碎，裂隙比较发育，扩散曲线反映465m以下为含水层，钻孔没有完全揭露，终孔抽水试验，静止水位标高1020.64m，降深11.2m，单位涌水量0.035L/s.m，水温16℃，为含水小的含水层。

白2003-4号孔：位于本矿北部边缘外，揭露灰岩83.62m，灰岩埋深419.58m，为奥陶系下统地层，岩性为灰白色的白云质灰岩，本孔岩芯均很破碎，钻进至481.10m时，岩性为白云质灰岩，水位突降至247m，当时受抽水设备所限，未做抽水试验，仅做了11个小时的注水试验，静止水位标高1029.91m，最大注水高度24.12m，单位涌水量0.03L/s.m，水化学类型为HCO₃?SO₄—Ca?mg型水，总硬度944.44mg/L，PH值6.8，水温20℃。

此外，2003年，大同煤矿集团有限责任公司与中国煤炭地质总局水文物测队在同煤大唐塔山矿白洞井做《大同塔山井田试验区奥陶纪灰岩岩溶水突水性预测研究》时，在301盘区材料巷、5103巷施工了3个探奥灰水钻孔，揭露灰岩100m，3个孔的原始资料已无从查找，仅在文字报告中查到岩溶水的单位涌水量为0.086L/s?m。

由上述三个探岩溶孔资料及井下探岩溶孔资料分析，揭露地层60m以上在本矿的中南部为粉砂质泥岩与灰岩互层，含水性极弱，北部钻孔揭露灰岩虽然破碎，但多属闭合裂隙，含水小，灰界顶界60m以下为主要含水层段，单位涌水量为0.03-0.086L/s?m。另外结合北部同忻矿平硐，南部塔山矿平硐揭露灰岩涌水点的涌水量分析（同忻矿平硐灰岩涌水量360m³/d左右，塔山矿平硐灰岩涌水量217.1m³/d）井田石灰岩含水层由于主要接受东部露头灰岩区大气降水的补给，补给量有限，井田石灰岩含水层的富水性，总体来看属于含水小的含水层。

井田岩溶水的水位标高为1010-1040m，为岩溶裂隙承压水。（图2.1）。

 

 

 

图2.2奥灰水等水位线图

Fig.2.2 Regional level contour map Ordovician limestone groundwater

（2）太原组含水层

太原组含水层主要分布在5号煤层与8号煤层之间的砂岩带，岩性为不同粒级的砂岩，厚度15-20m，3号煤层与5号煤层之间砂岩少见，即使有砂岩赋存大部分为粉砂岩，从钻孔简易水文观测资料分析，冲洗液消耗量均很小，一般在0.1-0.3m³/d之间，具有相似的含水性质，X203号孔抽水试验，最大降深21.22m，单位涌水量0.0037L/s.m，渗透系数0.0051m/d，静止水位标高999.36m，为承压裂隙水。

以上资料说明，太原组含水层由于埋藏深，岩石胶结致密，地下水的补给条件差，属于含水小的含水层。

太原组水质类型为HCO₃—[k+Na]·Mg型水，总硬度201.96mg/L，矿化度473mg/L，PH值7.99。

（3）山西组含水层

山西组地层仅分布于本矿南部白2002-2、白2002-4、白2003-1、白2003-1钻孔，K3砂岩厚5-10m，属于含水小的含水层。

（4）永定庄组含水层

永定庄组地层在本区内广泛分布，上部为紫红色的泥岩夹砂岩，下部为厚层状的砂岩，砂砾岩，砂岩厚80-150m，是太原组3号煤开采时的直接充水含水层。永定庄组砂岩以钙质胶结为主，质硬，在裂隙发育地段，可以是良好的含水层，无裂隙处，含水性极弱。据巷道揭露（表2.1），出水点的涌水量一般为10至几十m³/d，最大者初期涌水量达864m³/d，但出水点的涌水量衰减速度非常快，一般在不到1个月的时间内涌水量明显减小，如3号煤层2112巷，7号涌水点位于两条小断层的交汇处，2007年 11月17日涌水量为864m³/d，至11月23日涌水量衰减为86m³/d。

上述资料说明，永定庄组含水层总体属于含水小的含水层，局部构造发育段，属于含水中等的含水层，由于补给条件差，矿井排水主要消耗的是静储量。

表2.1巷道揭露涌水点统计表

Tab.2.1 Gushing water points tables by tunnel revealing

编号	巷道名称	出水点时间	涌水量m3/d	备注
1	930皮带斜井	2001年11月5日	150	已无水
3	行人通风斜井底	2002年3月25日	140
4	5101巷火成岩墙前20m	2002年7月2日-9日	30-320
5	2101巷巷口	2002年7月9日	50	现在29m3/d
7	2112巷12#点前23m	2007年11月17日-23日	864-86	现在150m3/d
8	2112巷8#点退后27m	2007年10月22日	19
9	301盘区回风巷加5点回11m	2006年11月27日	24	现在29m3/d
10	301盘区回风巷加5点回18m	2006年11月27日	16
11	301盘区回风巷加5点回33m	2006年11月27日	20

（5）大同组含水层

大同组是本矿上部含煤地层，有煤层数层，含水层为煤层之间的砂岩，富水性弱-中等。据调查：本矿11号、14号已全部开采，煤层采后由于顶板冒落，各煤层之间的含水层已经沟通，成为统一的含水体，在构造型态低洼处则形成了采空区积水。据白洞井提供的资料，目前采空区积水赋存在14号煤层采空区，位于本矿的东北部，共有积水5处（表2.2），总积水量134万m³。白洞井位于大同向斜的轴部，汇水条件好，2004年停采后，侏罗系矿井排水量为6806-9526m³/d，平均8558m³/d，而且呈逐年增长的趋势。从白洞矿侏罗系排水情况分析，矿井水的补给来源很充分，由于采空区的积水处于动态变化中，随着时间的积累，采空区的积水含越来越多。大同组矿井水水质为：总硬度660.5-1079.0mg/L，矿化度1000-1376mg/L，PH值7.41-7.55。

表2.2  14号煤层采空区积水一览表

Tab. 2.2 List of gob water of No.14 coal seam

积水位置	积水面积（万m2）	积水量（万m3）
402盘区东	15.5	17.3
402盘区西	9.2	12.5
402盘区东	25.9	20.6
303盘区	21.4	29.6
303盘区东	29.1	54.0

（6）第四系冲积层含水层

第四系冲积层分布于口泉河河床，口泉河流经井田的北部，区内长5.25km，河宽20-50m，冲积层厚10m，岩性为砂、砂砾石，河水由上游矿井水补给，受周边煤矿开采影响，口泉河已成为渗透性河谷。

2.2.2隔水层特征

永定庄组：上部岩性为紫红色泥岩间夹砂岩，下部为厚层的砂岩，砂砾岩，上部泥岩夹砂岩，为柔性岩层与刚性岩层相间，具有良好的隔水性能，下部砂岩、砂砾岩，含水性弱，可做为相对隔水层，永定庄组地层厚度122.29-228.67m，是阻隔上部大同组采空区积水良好的隔水层。

本溪组：上部岩性为粉砂岩，细砂岩夹薄层石灰岩，下部为粉砂岩，细砂岩，泥岩铝土质泥岩（图2.2），厚23.60-36.37m，平均28.01m，其厚度由西向东由薄变厚（图2.3），本溪组砂岩为中等坚硬岩石，强度较高，泥岩和铝土质泥岩为软弱岩石，但具有柔性，相互组合具有良好的隔水性能。

 

图2.3  8号煤层至O₁之间岩性特征图

Fig.2.3 Lithologic features map between No. 8 coal seam and O₁

 

图2.4 本溪组厚度等值线图

Fig.2.4 Thickness contour map of Benxi

2.2.3断层的水文地质特征

井田内断层大部分为采3号煤层时巷道揭露，只有F1、F2、F3为从侏罗系推测下来的。断层走向以北北东—北东向为主，其次为北西—北西西向，落差大于2m的只有F1、F2、F3、F4，其中F4为井下揭露。井下所揭露断层中，只有F4有破碎带，破碎带宽0.5-1.5m，破碎带岩石呈碎块状未胶结，其它断层没有破碎带，断层上下盘紧密结合，上下盘煤层顶板比较完整，在揭露的所有断层中，均无淋水现象。F4断层在3号煤层巷道中有8条巷道见断层，只有稍微的滴水现象，在5号煤层巷道中，断层带呈干燥状态。开采3号煤层时，井下只有两个涌水点涌水量比较大，一个是4号涌水点，另一个是7号涌水点，4号涌水点2002年7月2日揭露，当时的涌水量为30m³/d，至7月9日涌水量增至320m³/d，出水层位是巷道顶板永定庄组细砂岩；7号出水点为2007年11月17日揭露，当时涌水量为864m³/d，至11月23日涌水量减至86m³/d，7号出水点涌水层位为巷道顶板永定庄组砂岩，涌水通道为顶板之上打的锚杆，7号涌水点距离两条小断层很近，由于7号涌水点上方有侏罗系14号煤层采空区积水，曾取水样做了化验，化验结果为：总硬度463.6mg/L，矿化度484mg/L，硫酸根离子130mg/L，PH值7.86，与上部采空区积水高硬度，高矿化度，高硫酸根离子，二者截然不同，说明涌水来源是两条小断层在顶底板以上交汇后，贮存的砂岩裂隙水，涌水点涌水7天以后，由860m³/d减至86m³/d，也说明贮水空间有限，补给条件差。

从以上现象分析，本区新华夏系应力场应力作用以褶曲构造为主，形成的以北东向为主的断层，应力作用轻微，断层落差小，规模小，无大的贮水空间，加之补给条件差，断层的含水性是微弱的，由侏罗系14煤层采掘平面图与石炭系3号煤层采掘平面图相对照，侏罗系的断层均未断到石炭系，石炭系的断层也未延伸至侏罗系，说明本区的断层以层间断层为主，导通侏罗系采空区积水的可能性很小。本区可采煤层均属于带压开采煤层，由于奥灰水水头压力大，断层可成为奥灰水进入矿井的导水通道。

2.2.4地下水补给、迳流、排泄条件

本区地下水均以大气降水为主要补给来源，按照含水层的埋深，含水介质的不同以及开采后水文地质条件的变化，可划分为侏罗系含水系统，石炭系含水系统，奥陶系含水系统，三个含水系统即互相独立，又有一定的联系，因此有不同的补给，迳流、排泄条件。

（1）侏罗系含水系统

包括第四系含水层、云岗组含水层，大同组含水层，本区出露地层大部分为上述地层。云岗组、大同组出露于谷坡、山梁，第四系冲积层分布于口泉河河床。地下水的补给主要来源于大气降水，其次是口泉河的渗漏补给，井田内由于侏罗系煤层大部分已采，煤层采后由于顶板冒落，导水裂隙带的形成，第四系含水层，云岗组含水层、大同组含水层互相沟通，形成了统一的含水体。由于裂隙延伸至地表，地下水的补给条件极其优越，大气降水不仅可以直接入渗补给而且可以汇集区外的洪水，矿坑水通过口泉河渗漏补给，并且在本区的东北部向斜的轴部形成采空区积水，从2004年侏罗系煤层停采后矿井涌水量为6806-9526m³/d，便是该含水系统地下水补给条件良好的最好证明，矿井排水是排泄的主要方式。

（2）石炭系含水系统

包括永定庄组、山西组、太原组含水层，大气降水主要通过顺层裂隙进行补给，由于出露范围小，补给量极其有限，按补给模数1.5万m³/km²·a估算，年补给量不足2000m³，说明其补给条件很差。白洞井开采3号煤层时，揭露的涌水点数天后涌水量明显减少或干枯便说明了问题。开采3号煤层时，导水裂隙带未波及到14号层采空区积水。5号煤层厚度大，导水裂隙带可达14号煤层采空区，存在采空区积水通过导水裂隙带进入石炭系矿井。石炭系地下水的排水仍以矿井排水为主要方式。

（3）奥陶系含水系统

井田赋存的是奥陶系下统地层，出露于井田东界外，露头区灰岩直接接受大气降水入渗补给，分析白2008-3号孔8月-11月水位观测资料，最高水位出现在9月下旬，水位标高为1018.0m左右，本年度大气降水的峰值出现在8月份，两者相差一个月左右，也就是说奥灰水接受大气降水的补给时间滞后一个月左右，说明奥灰水的迳流通道是较为畅通的，即迳流条件较好。东部露头区由于灰岩出露范围小，加之地势又高，接受大气降水的补给量是极为有限的，井田北部的同忻矿，运输大巷距离井田东界20km，该运输大巷穿越奥陶系灰岩时，出现涌水点，初期涌水量为360m³/d（2008年6月），目前为100m³/d，大巷排水消耗的是静储量，缺乏充沛的补给来源，白2008-3号孔最高水位与最低水位仅相差0.6m，也反映了奥灰水的补给和贮水能力差的特征。奥陶系灰岩水除接受东部露头区的补给外，还有来自北部、西部远源的侧向补给。以区域上看，大同煤田灰岩含水层的岩溶发育总体均很弱，本区白2003-4、白2008-3号孔灰岩抽水试验，灰岩含水层富水性弱，说明其侧向补给量也是很微弱的。岩溶水主要是由西南向东北迳流运动，一部分消耗于同忻矿主平硐外，其余部分出区外由口泉沟沟口排向了大同平原。

2.2.5水文地质类型

白洞井位于大同煤田中东缘地段，总体为一轴向北东的向斜构造，地表黄土广布，为低山丘陵地貌。本区为双纪煤系，上部为侏罗系含煤地层，下部为石炭系含煤地层。侏罗系大同组煤层大部分已采空，在本区的东北部向斜的轴部有采空区积水赋存；永定庄组、山西组、太原组含水层是开采煤层的直接充水含水层，含水层的富水性弱，矿井涌水量小于2000m³/d；太原组下伏奥陶系岩溶裂隙含水层是煤系下伏间接充水含水层，灰岩含水层补给条件差，灰岩含水层岩溶发育弱，含水层富水性弱。虽然主采煤层3、5、8、9号煤层属于带压开采煤层，即使存在局部奥灰突水问题，其突水量也不会很大。本区5号煤层厚度大，煤层采后导水裂隙带将沟通东北部14号煤层的采空区积水，由于侏罗系采空积水范围较为清楚，开采5号煤层前，通过打探放水孔将采空区的水放掉，采空区积水的治理是比较容易的。

综上所述：白洞矿水文地质类型为二类一型，属于水文地质条件简单矿床。

2.3矿井充水因素分析

矿井充水因素可分为天然因素和人为因素两大类。

图2.5 矿井充水因素分类图

Fig.2.5 Water-filled factors classification of mine

2.3.1地表水及大气降水充水特征

本区为干旱、半干旱大陆性气候区，年平均降水量约400mm，降雨主要集中在7、8、9三个月，口泉河流经井田的中部。口泉河发源于左云县尖口山一带，流域面积600km²，全长50km，平时迳流0-0.2m³/s，洪峰流量691m³/s，白洞井位于口泉河的中下游，区内长5.25km，上游有四老沟矿，雁崖矿，挖金湾矿，王村矿同煤集团所属煤矿以及众多的地方煤矿，上述矿井总的排水量约80000m³/d。口泉河沿岸煤矿经过50余年的开采，侏罗系大同组煤层基本已采完，煤层采后由于顶板冒落，导水裂隙带的形成，口泉河已成为渗透性河谷。口泉河平均迳流量约0-0.2m³/s，说明上游矿井排水大部分都泄入井下，而到了雨季也会有大量的洪水泄入井下。由于白洞矿位于大同向斜的轴部，口泉河由西南至东北流经本区，汇水条件好，流域内地表水，大气降水均向口泉河汇集，而后入渗至向斜轴部，这是白洞矿侏罗系矿井排水量远远高于其它矿的主要原因（白洞矿大同组煤层停采后，矿井排水量为6806-9526m³/d）。目前白洞井开采3号煤层，3号煤层厚2.50-6.24m，上覆有200余米的永定庄组地层，在采空区积水分布范围3号煤层厚2.11-5.44m，最大导水裂隙带高度按坚硬岩石计算为132.09m，因此开采3号煤层时大同组采空区积水对煤层开采没有影响，地表水，大气降水不会成为3号煤层开采的直接充水因素。开采5号煤层时，由于导水裂隙带的高度会达及大同组14号煤层的底板，地表水、大气降水将会成为5号煤层开采的直接充水因素，而且是煤层开采的主要充水因素。

 

表2.3  大同组采空区范围钻孔参数一览表

Tab.2.3 List of drilling parameters of gob in Datong group

孔号	3号煤层厚度（m）	3号煤层 顶板深度 （m）	最底部可采煤层 底板深度（m）	3号煤层导水裂隙带高度 （m）	最底部可采煤层与3号煤层间距 （m）
白2002-3	5.44	324.78	99.40	132.09	225.38
白50	4.00	410.63	162.78	100.09	247.85
洞5	3.79	321.20	94.52	95.42	226.68
白49	2.72	310.00	98.21	71.64	211.79
白2008-4	3.04	387.04	172.55	78.76	214.49
白2003-6	3.35	404.09	192.55	85.64	211.54
白2008-3	2.11	301.88	118.60	58.09	183.28
白52	2.61	355.64	161.74	69.20	193.90

注：导水裂隙带高度H_f=+11.2

2.3.2采空区积水充水特征

大同组煤层经过50多年的开采后，井田内煤层大部分已采，煤层采后在井田东北部向斜轴部汇集了采空区积水，目前总积水量约为134万m³。开采石炭系5号煤层时，是否形成顶板突水将是本矿主要的水文地质问题。5号煤层厚度0-24.5m，一般在10m左右，5号煤层与侏罗系14号煤层之间为永定庄地层，永定庄组上部为紫红色泥岩夹砂岩，下部为厚层状的砂岩，砂砾岩，泥岩为软弱岩层，砂岩多数为半坚硬—坚硬岩石。5号煤层与14号煤层的间距为218.57-280.28m，其厚度变化趋势是南厚北薄，最薄处就位于东北部向斜轴部有采空区积水赋存的地段。开采5号煤层顶板能否突水，取决于导水裂隙带的高度（Hf）是否大于5号煤层顶板与14号煤层底之间的距离（H），Hf＞H，则突水，Hf＜H则不突水。已往计算导水裂隙带的高度是采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-1991）附录F中公式，Hf=100M/（3.3n+3.8）+5.1（Hf-导水裂隙带的高度m，M—煤层厚度m，n—煤分层层数），该公式不是由特厚煤层推导而来的，对于特厚煤层是否适用尚不清楚，因此，南邻的塔山煤矿在开采5号煤层时在8102工作面施工了两个观察孔，用来观测导水裂隙带的高度，发现实际导水裂隙带的高度大于由上式计算的导水裂隙带的高度，但小于由坚硬岩石推导的计算导水裂隙带的公式Hf=100M/（3.3n+3.8）+11.2，将Hf=100M/（3.3n+3.8）+5.1修正为Hf=100M/（3.3n+3.8） +60，基本与实际观测的导水裂隙带的高度相吻合，此次计算导水裂隙带即采用修正后的公式。由修正后的公式计算的导水裂隙带高度为102.96-336.48m，在采空区积水赋存范围内导水裂隙带的高度全部大于5号煤层顶板与14号煤层底板之间的距离。因此在开采5号煤层时，必然要发生顶板突水，由于14号煤层采空区贮水量大，而且有补给来源，对安全生产构成极大的危害，因此，在开采以前，必经事先排放水，从而做到安全开采。

2.3.3永定庄组、太原组砂岩裂隙水充水特征

永定庄组、太原组含水层是开采煤层的直接充水含水层，开采3号煤层时，揭露的永定庄组出水点的涌水量一般在20-50m³/d，大者达864m³/d，出水方式为初期以涌水，淋水为主，经过一段时间变为淋水、滴水，说明其贮水空间和补给来源均有限，对开采不构成危害。太原组含水层根据以往施工的水文孔抽水试验知，属于含水小的含水层，井巷揭露后出水方式仍以淋水、滴水为主，不会对开采构成危害。

2.3.4奥陶系岩溶水充水特征

奥陶系岩溶裂隙含水层是太原组开采煤层下伏间接充水含水层，水位标高1010-1040m，3号煤层底板标高858.29-1012.58m，5号煤层底板标高为838.78-993.62m，8号煤层底板标高812.85-963.36m，9号煤层底板标高为801.95-952.85m，所有煤层均为带压开采煤层，根据突水系数公式：

                           （2.1）

式中：

Ts—突水系数，MPa/m；

P—隔水层承受的水压，MPa；

M—煤层底板至奥灰顶界之间的距离，m；

C_p—采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，取10m；

计算：3号煤层突水系数为0.015-0.023MPa/m，5号煤层突水系数为0.014-0.041MPa/m，8号煤层突水系数0.027-0.079MPa/m，9号煤层突水系数0.031-0.128MPa/m（表6-3-1）。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB12719-91附录G，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.15MPa/m，3号、5号煤层不会发生底板突水；8号、9号煤层在断层带、岩墙部位存在底板突水，正常情况不会发生底板突水，9号煤层在井田的东北部，突水系数大于0.1MPa/m，带压开采严重。

 

 

 

 

 

 

 

表2.4  煤层突水系数统计表

Tab. 2.4 Coal water inrush coefficient tables

注：空白格为无煤孔或煤层位于O1水位以上。

 

 

图2.6 8号煤层突水系数等值图

Fig.2.5 Water inrush coefficient contour map of No.8 coal

 

图2.7 9号煤层突水系数等值图

Fig.2.5 Water inrush coefficient contour map of No.9 coal

 

突水量分析：白洞井2003-4、2008-3号孔做了奥灰抽水试验，揭露灰岩83.6-97.5m，为奥陶系下统地层，含水层埋深在灰岩顶界60m以下。2003-4号孔注水高度24.12m，单位涌水量0.035L/s.m；2008-4号孔最大降深11.2m，单位涌水量0.030L/s.m，井下探岩溶单位涌水量为0.086L/s?m，说明本区岩溶发育具有不均一性，但总体富水性是弱的，以最大单位涌水量做突水性分析：井田2008-4、白50号钻孔8号煤层，9号煤层底板突水系数最大，以这两个孔为代表做突水量计算。2008-4号孔灰岩水位标高1015m，8号煤层底板标高844.56m，9号煤层底板标高820.31m，如果突水，8号煤层最大降深170.44m，9号煤层最大降深194.69m，按最大涌水量Q=q?s公式计算，8号煤层最大突水量为52.773 m³/h，9号煤层最大突水量为60.283 m³/h；白50号孔奥灰水位标高1010m，8号煤层底板标高850.21m，9号煤层底板标高832.36m，8号煤层最大降深为159.79m，9号煤层最大降深为177.64m，8号煤层最大突水量为49.47m³/h，9号煤层最大突水量为54.99m³/h，另外井田南部塔山矿平硐揭露奥灰涌水量为9.05m³/h，北部同忻运输大巷揭露灰岩后涌水量为15m³/h。

以上资料说明，白洞井8号、9号煤层即使存在底板突水，也属于小型突水。

白洞井从2002年至2008年系统地观测了石炭系矿井的涌水量。从年平均值来看，随着开采面积，巷道长度的增加，矿井涌水量呈增长趋势，仅2003年平均值例外。矿井涌水量与开采面积，巷道长度的比值不是常量，而是呈递减变化。同一年每个月的涌水量有一定的波动，并不是随着开采面积，巷道长度的增加有规律的变化，这与直接充水含水层的透水性，贮水性，补给条件有一定的关系，由于本区地下水的补给条件差，巷道揭露的出水点的涌水量随着时间的延续，涌水量越来越小，有的干枯。但总的趋势是随着开采面积，巷道长度的增加呈递增变化，说明开采面积、巷道长度与矿井涌水量有一定的相关关系。石炭系地层上覆厚层的侏罗系地层，石炭系地层仅在区外呈条带状出露，出露面积很小，每年大气降水的补给量估算不足2000m³，因此大气降水对矿井涌水量的影响很弱，可以忽略不计，开采3号煤层，巷道揭露有些出水点几天后即没有水便可说明此问题。

3矿井探放水技术研究

3.1矿井水害

3.1.1防治技术

根据我国聚煤区的不同水文地质特征，并考虑到矿井充水对安全生产的危害程度，可将我国煤矿划分为6大矿井水害区，分别为：华北石炭二叠系岩溶、裂隙水害区，华南晚二叠统岩溶水害区，东北侏罗系裂隙水水害区，西北侏罗系裂隙水水害区，西藏—滇西中生代裂隙水水害区和台湾第三系裂隙、孔隙水水害区，台湾第三纪煤田的裂隙—孔隙水害区。

大同煤田属于西北侏罗系裂隙水水害区，该区位于昆仑—秦岭构造带西段以北，贺兰构造带以西地区，属干旱气候区，局部为亚干旱区，年降水量为25mm一100mm。本区严重缺水，存在供水问题，仅少部分地区有地表水和老窑水构成的煤矿水害。

根据白洞矿井田范围内水文地质条件，矿井防治水的技术如下：

（1）井下防水煤（岩）柱留设

井下采掘进行到水体下、含水层下、承压含水层上或导水断层附近采掘时，必须进行防水煤（岩）柱的留设，以防止地表水或地下水溃入工作面，这部分煤（岩）层称为防隔水煤（岩）柱或防水煤（岩）柱。根据防水煤（岩）拄所处的位置，所保护的范围也各不相同，因此，可以分成不同的类型：

①断层防水煤（岩）柱。

在导水或含水断层两侧，为防止断层水溃入井下而必须留设煤（岩）柱。或当断层使煤层与强含水层接触或接近时，为防止含水层水溃入井下，也必须留设防水煤（岩）柱。

②井田边界煤柱。

相邻矿井往往不是以地质构造为分界的，经常是人为划定的。相邻矿井间必须留设防水煤（岩）柱，严禁两个矿井井下相通，从而防止一个矿井的出水漫延到另一个矿井，造成另一个矿井的淹井事故。

③上、下水平（或相邻采区）防水煤（岩）柱

上、下两水平（或相邻两采区）之间，为不同的生产区域，必须留设防水煤（岩）柱，这些煤（岩）柱是作用是为了上、下两水平或相邻两采区不互相威胁，在开采末期或透水威胁消除后，如果相邻巷道不再使用，这部分煤柱中的煤可以回收。

④水淹区防水煤（岩）柱

在井下老空区周围和上、下水平要留设防水煤（岩）柱，防止采动影响使得老空区水涌出进入工作面。

⑤地表水体防水煤（岩）柱

为防止采煤后地表水经塌陷裂缝溃入井下而留设的煤（岩）柱。

⑥冲积层防水煤（岩）校

为防止采煤后上覆冲积层中的强含水层水馈入井下而留设的煤（岩）柱。

（2）井下探放水

指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、充水含水层、积水老窑等水体的具体空间位置和产状等。主要包括：

①探放老窑水

小煤窑或矿井采掘的废苍老窑积水，其几何形状极不规则，积水量大者可达数百万立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它们时，常常造成突水淹井及人身伤亡事故，故必须预先进行探放。

②探放断层水

断层往往作为导水通道，在过断层时，如果没有采取探放措施，井下含水层、老空区的水很可能会通过断层进入采掘工作面，造成巨大的人员伤亡。

③探放陷落柱水

在煤层底扳下伏巨厚层状碳酸盐岩充水含水层组的华北型煤田，由于导水岩溶陷落柱的存在，使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系强充水含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为了水源补给充沛、强富水的突水薄弱带。井巷工程一旦遇及这些薄弱带，将不可避免地引发突水或淹井事故。若导水岩溶陷落柱本身直接突水，其后果就更为严重。

④导水钻孔的探查与处理

矿区在勘探阶段施工的各类钻孔，往往贯穿若干含水层组，有的还可能穿透多层老窑积水区，甚至含水断层等。若封孔或止水效果不好，人为沟通了本来没有水力联系的含水层组或水体，使煤层开采充水条件复杂化。

（3）含水层改造与隔水层加固

当煤层底板充水含水层富水性强巴水头压力高，或煤层隔水底板存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，需采用疏水降压实现安全开采，但疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时，采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法。该技术主要针对煤层底板水害的防治，它利用采煤工作面已掘出的上通风巷道和下运输巷道，应用地球物理勘探或钻探等手段，探查工作面范围煤层底板岩层的富水性及其裂隙发育状况，确定裂隙发育的富水段，采用注浆措施改造含水层或加固隔水层，使它们变为相对隔水层或进一步提高其隔水强度。

3.1.2抢险救灾技术

一旦透水事故发生，就必须马上就行抢险救灾工作，其中控、排水是抢险过程中常用技术。在条件允许的情况下两项技术结合应用。

3.1.2.1矿井突水时的强排水技术

矿井突水时强排水方案的制订，必须根据矿井灾水地点、突水量、井巷工程条件、采空区及淹没区域充水条件、预测矿井淹没过程中不同标高的最大桶水量以及未被淹没泵房的设备能力等资料为基础，来编制强排水方案。

（1）矿井突水水平的排水泵房未被淹没前的强排水

此时矿井突水量及可能最大突水的预测是关键：

①认真测定涌水量和预测最大可能的涌水量；

②启动全部排水能力强行排水；

③当突水量较大，核实能力不足时，有条件的矿井可以关闭有关井底车场水闸门限制放水；

④有条件时可向低标高井巷部分放水；

其主要目的是为坚守排水泵房为扩大排水能力赢得时间。

（2）突水水平泵房被淹，水位仍上涨时的强排水

①减缓水位上涨的一般措施

封堵未淹井巷内一切可以封堵的涌水，对在排水能力不足情况下减缓水位淹没速度起到很好作用，如关闭未淹井巷涌水钻孔，对部分下放的涌水采取闸墙封堵或建临时排站等。总之，要努力防止上巷涌水下灌而增加淹没矿井的水量。

②制止淹没水位上涨的重要措施

主要是迅速建立临时强排水基地。临时强排水基地应尽可能接近掩没水位，又要保证不被继续上涨的水位淹没，所以必须依据矿井突水量、预测最大突水量、可能被淹没井巷及采空区充水体积等资料，预计水位上升到各未淹水平的时间，为临时排水基地选址和建立留出时间。

3.1.2.2矿井突水时的控水技术

建立永久水闸墙控制涌水，是治理涌水常用的一种方法。矿井突水初期，为了控制涌水漫流，加固了巷道和出水口，并为掩护永久水闸墙的施工，可以采取快速码砌袋装水泥墙办法，为永久水闸墙施工创造条件；根据水情变化和突水场地及相关巷道条件，最终构筑永久水闸墙以控制涌水。

（1）堵（控）水闸墙设计施工应注意问题

①堵水闸墙设计前，要全面弄清设计条件，如：闸墙预计承压力、闸墙所在巷道的断面、支护形式和原掘进方法、拟选定混凝土标号、闸墙硐室围岩性质和硬度及各种物理力学参数；

②闸墙形式的选择：若突水水压比较大，可以选择楔形水闸墙；如果水压特别大，可构筑多段模型水闸墙；

③水闸墙要构筑在致密坚硬及无裂隙的岩石中；

④水闸墙周边应掏槽嵌入到岩石中，并事先埋好注浆管；等闸墙体完工后进行注浆，充填缝隙，使之与围岩构成一体。

⑤永久水闸墙施工，一般都留设泄水管路阀门。注意阀门管路防腐处理，封水的水闸墙管路阀门，最好使用不锈钢材料。

施工永久水闸墙，必须认真编制施工技术及组织设计，并认真落实，保证施工质量。现场实践证明，由于水闸设计不合理而造成失败的情况很少，主要是施工质量问题，特别是挖掘巷道四周围岩，拓宽巷道断面时，清理岩粉残渣工作十分重要，是保证质量的关键。另外还有预埋注浆管，注浆加固间体与围岩缝隙时，必须达到注浆设计标准。因此，建闸期间的现场管理，是保证水闸质量的基础。

3.1.2.3矿井突水时的注浆堵水技术

矿井突水后，一方面组织人力采取强排水和打闸分区隔离方式制止水漫延和控制水位上涨，另一方面是根据水情和突水条件，在无法分区隔离，且矿井水久排水能力又不足以排除突水水量时，应及时采取注浆堵水方法封堵水源。所以，在抢险救灾同时，要认真制定注浆堵水方案。在编制注浆堵水方案时，要尽量遵循下列原则：

①必须清楚掌握矿井地质及水文地质条件：突水发生的原因、突水点的位置、突水通道的性质、突水量的变化、突水点附近地质及工程地质条件、采掘状况，并具有准确的相关图纸，以便明确堵水位置，分析钻探及注浆的难度，做到各方面条件分析充分，设计考虑周全。

②注浆堵水设计中第一批钻孔位置原则上应首先针对出水点附近设计并施工，以便尽快确定突水补给通道的性质并提前注浆封堵，为注浆堵水打好基础。但钻孔终孔位置应慎重考虑注浆时浆液流失问题，特别是在动水条件下，应适当考虑浆液扩散问题。

③无论是静水条件还是动水条件下注浆，其前期一般应以增加出水口阻力为目标，尽量减小过水断面，而后再加大注浆强度。

④注浆钻孔孔径不宜过小，以不影响钻进速度为原则，以提高效率。

⑤注浆堵水方案最终形成是一个动态变化过程，随着对突水水源通道及地质水文条件的深入了解，随时调整注浆方案。

⑥注浆堵水工程要进行多方案对比，如钻孔数量，施工顺序，注浆工艺等，以便好中选优，综合运用。

⑦注浆钻探设备选型安可靠，注浆材料要充分保证。注浆工艺一般采取分段下行注浆，一般不采取孔口混合注浆。

⑧注浆堵水设计要明确规定配合注浆堵水过程中的地质及水文地质工作内容。分析有关资料，以指导修正注浆工艺及注浆方案.

⑨前期注浆堵水钻孔施工，一般都带有探测的性质，所以条件探查应列入设计内容。打钻注浆工程尽量采用比较成熟的先进技术和工艺，并在注浆堵水设计中规定。

⑩打钻注浆工程要有施工组织设计，明确施工中的细节问题。

3.2老空区积水

老空水也叫做老窑水，主要是指由于过去本煤矿的开采或其它一些小煤窑的开采以后遗留下一部分采空区，这部分采空区被后期的地下水或地表水充满，就形成了一些老窑积水，这些积水由于长期无法排出，储蓄了大量的地下水。一旦坑道开拓揭露充水老窑, 积水就会一涌而出，其压力大, 来势猛, 并常夹有碎石或有害气体, 对矿井生产系统危害很大，甚至可造成局部淹井事故，造成巨大的人员伤亡和财产损失。

3.2.1老空区积水特征与危害

存在老窑水危险的主要是开采多年的老矿区。如果后期的地下采掘工程触及到这种老窑水的水体的边缘的时候，这部分老窑水就会以突然溃入的方式溃入到井下，造成一些突发性的水害事故。老空水按聚积的位置可具体分为：本矿采空区积水、老窑积水和邻近矿井老空积水。

3.2.1.1老空水的特征

（1）老采空区范围、具体积水深度、积水量和静水位标高等均难以确定。

（2）一旦发生事故，短时间内可以有很大的水量，来势猛，具有一定破坏性。

（3）由于井下所处环境，老空水中含有大量的酸根离子，具有一定的腐蚀性。

（4）往往通过导水裂隙与其它水源沟通, 在短期内难以排除。

3.2.1.2老窑积水的危害

据统计, 老空透水事故占煤矿水害事故的80%以上，一旦发生透水事故，会对矿井造成严重的危害:

（1）局部淹没井下区域，造成造成人员伤亡和财产损失，并由于救援或排水的需要，影响矿井正常生产。

（2）影响煤炭质量和资源回收。

（3）透水时压力大，会造成井下设备、器材、巷道支护及矿井设施的毁坏，

（4）使排水费用增加, 迫使企业投入大量的资金进行防治，降低企业经济效益。

3.2.2老空透水事故分析

3.2.2.1老空水透水原因

老空水透水涉及到很多方面的因素，但主要可以分为从主观原因和客观原因两方面。

主观原因：

（1）第一，没有牢固树立安全第一、预防为主的思想，从领导到一线采煤工、掘进工，缺乏对安全工作的认识，对老空水防治工作心存侥幸，疏忽大意，违反作业规程，盲目施工，违章指挥。

（2）第二，职工缺乏培训，安全素质低，安全技能差。没有组织职工进行应急演练，职工没有掌握防透水的知识和技能，缺乏判断险情的知识，一旦遇到险情，不会选择避灾路线和自我保护措施。

（3）第三，技术手段满后，无法在井下科学、准确的进行采空区的预测，在发生险情时，没有足够的措施和手段进行险情处理。

（4）第四，资料管理方法落后，不能及时在图上将采空区绘出。缺乏地质资料，不能准确掌握工作面前面的地质状况。

（5）安全资金投入少，井下防治水设施设置不合理，透水事故发生后，不能够立即投入使用。

客观原因：

（1）由于历史原因，井田范围内曾有小煤窑野蛮开采，留下很多废弃巷道、采空区，且没有在图纸上进行标绘，留下很多隐患。

（2）随着开采深度的增加，水文地质条件越来越复杂，需要的技术水平也越来越高，而目前防治水的技术不足有完全解决现场中所出现的问题。

（3）老空水有充足的补给水源，水量极大，水压极强，属非常规性老空水^[]。

3.2.3老空透水事故事件树模型

事件树分析（Event Tree Analysis，简称ETA），是安全系统工程分析事故的一种重要手段，是一种按事故发展的时间顺序由初始事件开始推论可能的后果，从而进行危险源辨识的方法。老空区透水事故的发生，是许多原因事件相继发生的结果，其中，一些事件的发生是以另一些事件首先发生为条件的，而一事件的出现，又会引起另一些事件的出现。在事件发生的顺序上，存在着因果的逻辑关系。

3.2.3.1老空水透水事件树编制

为了详细了解老空水透水事故发生机理，对大量矿井老空水透水事故进行分析，找出其发生原因，建立了老空水透水事故事件树模型。以采空水为起点，按照事故的发展顺序，分成5个阶段，分别是：有无积水、水情是否清楚、探放措施是否得当、水量多少、预防措施是否得当，一步一步地进行分析，每一事件可能的后续事件都取对立的两种状态，直到达到老空水透水事故发生为止。如图3.1所示：

图3.1 老空水透水事件树图

Fig.3.1 Event tree of goaf inrush

3.2.3.2分析结果

从图3.1可以看出，发生老空水透水事故的序列号为Ⅵ，其概率是：

P（Ⅵ）=P（A）·P（B2）·P（C2）·P（D2）·P（E2）·P（F2） 

从上述计算可以看出，如果P（Ⅵ）等于零，才可以避免老空水透水事故的发生。从事件树来分析，防止透水事故的发生，必须分析分析每一步的成功和失败。作业人员探放老空积水时预防措施不当、老空区有大量积水、探放水措施不符合作业规程、水情不清、存在老空水，以上全部都成立，才会发生透水事故。也就是说，如果想防止透水事故发生，作业人员进行井下采掘作业时，必须严格按照探放水作业规程和探放水计划进行施工，采取确实有效预防措施。

3.2.4老空水水害的分类

对矿井老空水水害进行分类，是防治老空水的基础，可以了解和掌握老空水的形成机制，并根据老空水水害的分类，采取不同的预防措施。根据白洞矿地质与水文地质背景，对白洞矿井田范围内老空水水害进行分类，如下图所示。

 

图3.2 白洞矿老空水分类图

Fig.3.2 Classification illustration of goaf water in Baidong mine

非采动影响型老空水水害，主要是通过自然形成的导水通道产生的老空水水害，这引起导水通道的形成，没有受到人为因素，即采掘引起的地层变化的影响。这些导水通道包括导水断层或导水裂隙网络等，不涉及到那些由于煤层距老空水较远，采动和水压对防水煤柱振动较小的采煤（掘进）工作面。这类老空水水害的突水水量主要取决于透水通道面积或裂隙系统的渗透张量。导水断层周边区域，受断层的补给性强，必须首先进行排水疏干，或者对构造带进行注浆加固。对于裂隙渗透型老空水水害主要是通过对裂隙区域注浆加固进行防治。待加固完成后，方可进行采掘作业。对于裂隙一般可对采用注浆加固，加固后可进行开采或掘进。

采动影响型老空水水害，是由于采掘作业造成防水煤柱破坏而形成了导水通道而产生的老空水水害。防水煤柱是老空水防治的基础。一旦损伤了采空区防水煤柱，防水煤柱的强度不足以抵抗采空区的水压，采空区的水就会越过防水煤柱进入采掘工作面。或者断层等断裂构造防水煤柱损伤后，采空水通过断层等构造，同样会进入了采掘工作面，造成空水事故的发生。防水煤柱在防止采动影响型老空水水害中起着重要的作用，因此，任何情况下，都不得对煤柱进行采掘。

3.3老空水形成机制

煤矿采空区是随着矿井生产而逐渐形成的，采空水也伴随出现。现在矿井随着生产年限的增长和采深的不断延伸，遇到采空区积水的情况将越来越多，对生产带来的威胁也越来越大。如何在生产实际中减少老空水水害的威胁，必须对老空水产生的机制进行研究。老空水形成的形成的前提条件有三个，即：有聚水的空间（即采空区或废弃巷道）、有充水水源、有与充水水源相连通的充水通道。因此在老空水研究过程中，必须首先分析这三个方面:

（1）有无聚水空间。采空区或废弃巷道作为聚水空间，其存在是不可避免的，但聚水性能决定积水量的多少。

（2）有无充水水源。井下生产实践表明，并不是所有老空区内均有积水，如果没有充水水源，老空区积水就不可能形成。

（3）有无充水通道。由于自然因素和采动影响，充水通道的存在与否只能通过探查测才能知道，需要进行大量的投入。

上述的三个方面是老空水形成机制的重要内容，也是老空水防治的基础。必须将充水水源、充水通道、聚水空间形成的条件和各自的性质搞清楚，才能结合矿井的实际情况决定采取探、防、堵、截、排哪种措施，制定切实可行的防治水方案。

3.3.1聚水空间

采空区地质剖面图如图3.3所示，分别从纵向和横向两个角度来分析采空水聚积空间，以了解和掌握采空水在采空区的聚积位置。

 

图3.3 采空区积水聚积空间图

Fig.3.3 Structural figure of goaf water accumulation space

（1）纵向层面

在煤层的上方，由于采掘作业，破坏了上覆地层的岩体结构，这些结构可划分为较完整层状结构、块裂层状结构、碎裂结构和散体结构四部分，这四部分分别位于冒落带、裂隙带和弯曲带内。采空区积水状况与介质特性、岩体结构存在着关系，如表3.1所示。

表3.1 采空区积水与上覆岩层结构类型的关系

Tab.3.1 Hypo taxis between goaf water and overlying strata structure types

介质特性	岩体结构	覆岩破坏变形规律	积水状况
连续介质	较完整层状结构	弯曲带	不积水
连续介质	块裂层状结构	裂隙带	部分积水，具有潜水特征
似连续介质	碎裂结构	规则冒落带	主要积水，具有承压水特征
散体介质	散体结构	不规则冒落带	主要积水，具有承压水特征

由上表可知，冒落带内是采空区主要积水处，裂隙带内存在部分积水，弯曲带内一般不积水。

（2）横向层面

在横向上，可将采空区两个区，一个区为垮落掉块压实区，另一区为未充分充填区。在采空区中央，顶板完全垮落，并在上部岩层的压力下，压密程度较好，聚水空间不大，这一区为垮落掉块压实区。而在采空区靠近煤柱的两侧，由于煤柱的支撑作用，直接顶垮落后，老顶跨落缓慢，采空区没有完充填，留下很多空隙，这些空隙将成为聚水空间，这一区为未充分充填区。

（3）废弃巷道

在井下有很多废弃巷道的存在，这些巷道也存为采空水的聚积空间，而且由于井下巷道相互连通，能够很快的将水导入采掘工作面，造成透水事故的发生。

3.3.2充水水源

现按水源特征，可把采空区水害分为若干类型，老空水充水水源的类型，因不同地区的气候、地形、地质、水文地质条件等的差异而有所不同。但总的来说，其充水水源主要包括大气降水、地表水、松散层含水层水、煤系顶板砂岩裂隙水与灰岩水、灌浆水和工业用水等，多数老空水往往是由2-3种水源充水形成的，单一水源的矿井老空水很少。现按充水水源不同分叙如下^[]:

（1）大气降水

大气降水是地下水最主要的补给来源。大气降水到达地面以后被土壤颗粒表面吸附形成薄膜水。当薄膜水达到最大水量之后，继续下渗的水被吸入细小的毛管孔隙而形成悬挂毛管水。当包气带中的结合水及悬挂毛管水达到极限以后，这时雨水在重力作用下通过静水压力传递，不断地补给地下水。如果地表和采空区之间存在充水通道，这些水将进入采空区，成为老空水充水水源，如图3.4所示。

 

图3.4 大气降水水源的老空水示意图

Fig.3.4 Schematic diagram of water in goaf supplied from mdteoric water source

（2）地表水

在有地表水体分布的地区，如长年有水的湖泊水、江河水、坑塘水、水库、沟渠水、泥石流、海洋水、塘坝等，因煤矿井下防水煤（岩）柱留设不当，当井下采掘工程发生冒顶或沿断层带坍裂导水时，地表水将大量迅速灌入井下，类似水害事故曾多次发生。尤其是在一些平时甚至长期无水的干河沟或低洼聚水区，多年来平安无事，未引起人们的注意和重视。当突遇山洪暴发，洪水泛滥，会使某些早已隐没个留痕迹的古井筒、隐蔽的岩溶漏斗、浅部采空塌陷裂缝、甚至某些封孔不良的钻孔，由于洪水的侵蚀渗流而突然陷落，造成地面洪水大量倒流井下；也可沿某些强充水含水层的露头强烈渗漏，结果造成水害事故。在特定条件下，有时可冲毁工业广场，直接从生产井口灌人井下，迫使井下作业人员无法撤出。这种水害往往来势突然且迅猛，一时无法抗拒，可造成重大损失。

地表水补给水量的大小，取决于地表水体底部岩石的透水性，地表水位与地下水位的相对高差，地表水与地下水有联系地段的长度，以及季节。地表水在雨季水量大，对井下采空区水的补给量也大，在旱季，随着地表水量的减少，对采空区的补给也会减少，甚至完全没有补给。也有一些地表水受雨季和旱季影响不大，常年向采空区充水。但如果煤层埋藏较深，地表水往往不是采空区的直接充水水源。

（3）煤系顶板砂岩裂隙水与灰岩水

其充水水源为砂岩、砾岩等裂隙含水层的水。这些煤层顶部常有厚层砂岩和砾岩、其中裂隙发育，如与上覆第四纪冲积层和下伏奥陶系含水层有水力联系时，可导致大突水事故以及建井时期发生淹井事故。含水层与煤层的距离、含水层的富水性、地下水的类型，这些因素均决定着砂岩裂隙水与灰岩水对采空区水的补给程度。由矿井水文地质条件看，白洞矿开采煤层的充水含水层均属于含水小的含水层。煤系顶板砂岩裂隙水与灰岩水，充水过程如图3.5所示。

 

图3.5 砂岩裂隙含水层水源的老空水示意图

Fig.3.5Schematic diagram of water in goaf supplied from sandstone aquifer source

（4）含水层水

含水层是指那些既能储存重力水又能让水自由流动的岩层，按松散层含水层在松散层中所处层位的不同，可分为上部、中部、下部砂层水。松散层中部、下部中，疏松的砂卵石层，半固结而富空隙的砂砾岩，富有裂隙的基岩，喀斯特发育的碳酸岩，既能容水，又能透过和排出重力水，成为老空水的主要充水水源。松散层含水层水通过导水通道进入采空区，如图3.6所示。

 

 

图3.6 松散层含水层水源的老空水示意图

Fig.3.6 Schematic diagram of water in goaf supplied from loose squifer source

（5）灌浆水和工业用水

在煤层开采过程中，需要大量的生产用水，这些生产用水主要有两个用处，一是为防止煤层自燃，对采空区进行预防灌浆的用水，二是用于井下防尘的工业用水，这两种水在一部分进入水仓，被排出到地面，另一部分则积聚在采空区，成为老空水。

3.3.3充水通道

充水通道是充水水源进入采空区的通道。由于通过充水通道对采空区水进行了补给，造成了老空水水文地质条件复杂化。对它进行深入的研究，是科学地制订老空水防治方案的前提。根据不同的划分依据，老空水的充水通道存在着三种划分方案，综合归纳如表3.1所示。

表3.2老空水充水通道的分类

Tab.3.2 Types of transmissibility pathway of water in goaf

划分依据	基本类型	充水通道
形态	点状	陷落柱、封闭不良钻孔、地面塌陷坑
	线状	断层带、断裂破碎带
	面状	顶底板岩层各类裂隙
	窄条状	窄条状隐伏露头
成因	构造类	断层、裂隙
	采矿扰动类	顶底板破坏形成的导水裂隙带、断裂带、煤柱破坏
	人类工程类	封闭不良钻孔、小煤窑
地下水流的动力特征	渗滤	顶底板岩层的各类裂隙、窄条状隐伏露头
	管流	陷落柱、断层带、断裂破碎带

 

不同成因、不同形态、不同地下水流动力特征的充水通道，其表现形式是各不相同的，必须加以区分。常见的老空水充水通道及其相应的充水特征如下:

（1）顶板垮落形成的冒落带、断裂带

采煤工作面上覆岩层的破坏变形形态与规律，受到覆岩岩性、开采高度、开采工艺、工作面长度、煤层条件、开采方法及顶板管理方法的影响，同时受到地层结构特征如断层与时间等其它因素的影响与控制。根据上覆岩层的断裂破碎程度和透水性的状态，在垂向上可将其划分为3个带，即冒落带、断裂带和弯曲带。冒落带、断裂带、弯曲带简称为“顶三带”。如图3.7所示。

 

图3.7 覆岩破坏与变化规律示意图

1-冒落带   2-裂隙带  3-弯曲带

Fig.3.7 Schematic diagram of overlying strata destroy and its transmutation disciplinarian

1-the inner collapsed zone  2-the permeable fractured zone  3-bend zone

①冒落带

是指采煤工作面放顶后引起直接顶板垮落破坏范围。根据冒落岩块的破坏程度和堆积状况，又可分为上、下两部分。下部岩块完全失去已有层次，称不规则冒落带，上部岩块基本保持原有层次，称规则冒落带。冒落带的岩块间空隙多而大，透水透砂，是导水裂隙带，所以不允许冒落带发展到上部地表水体或含水层底部，以免引起突水和溃砂。

②断裂带

垮落带上方的岩层，会产生垂直断裂和水平离层的范围，这些范围称之为断裂带。断裂带内裂隙比较发育，岩体破碎。该带一般由下而上，其断裂和离层程度由强变弱。断裂带中的充填物多为胶结不够紧密的泥质、炭质胶结，在承压水的长期作用下被软化、构空和溶蚀，降低了有效隔水层的厚度，根据岩层的断裂发育程度以及其导水性，断裂带在垂直剖面上可分为：严重断裂段，岩层大部分断开，但仍然保持原有层次，裂隙之间连通性好，强烈透水甚至透砂；一般开裂段，岩层不断或很少断开，裂隙连通性较强，透水但不远砂；微小开裂段，岩层基本不断开，裂隙连通性不好，透水性弱。

③弯曲带

弯曲带是受采动影响最小的岩系，从断裂带上直至地表都属于弯曲带。弯曲带由于岩层的整体变形和移动，造成在垂直剖面上，各岩层下降的速度小，基本上保持一样，因此上下各岩层没有形成离层现象。弯曲带内的岩层的完好性，也保证了弯曲带通常具有较好的隔水性，使得其导水和蓄水能力差。

（2）底板破坏形成的导水裂隙带

白洞矿煤层底板存在着承压含水层，在采掘过程中，顶板岩层垮落冲击底板，对底板岩层破坏称动矿山压力；此外，采动后，采场内上覆岩体的自重力不能通过煤层传递，转接到采场四周煤层，而采场内临空，底板岩石受力后要向采场内产生位移（底鼓），称静矿山压力。两者共同作用下，可使一定厚度的直接底板道受破坏，形成“下三带”，即上部采动破坏导水带，中部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。“下三带”为采空区提供了充水通道，给承压水的导升和断裂带内的开裂制造了空间，造成底板含水层中的水渗透和溃入采空区，成为老空水充水水源。

 

图3.8 底板岩层破坏与变形规律示意图

1-采动破坏裂隙带  2-完整岩体隔水带  3-原位垂直张裂隙带

Fig.3.8 Schematic diagram of footwall strata destroy and its transmutation disciplinarian

1-the mining disruptive fractured zone  2-the fully rock mass waterproof zone  3-the in-situ vertical tension crack zone

 

（3）陷落柱

陷落柱是由于下伏易溶岩层经过地下水强烈腐蚀，形成大量空洞，从而引起上覆岩层失稳，向溶蚀空间冒落、塌陷所形成的桶状柱体。其形成大致经历了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等过程，其中溶洞形成是核心和先决条件。煤系陷落柱在中生代（大同煤田）广泛分布，因为被破碎岩块充填的柱状喀斯特陷落柱，像一导水管道，因此，以其特殊的成因、性质和形态，成为矿井水害的最危险导水通道。它沟通了煤系充水含水层与下伏强富水灰岩水的联系，一旦采空区上下的采动裂隙与其沟通，水就会通过陷落柱突入工作面，造成井下突水事故的发生，同时也成为采空区的主要充水水源。

3.3.4老空积水区的确定方法

由于煤矿的采矿活动，在矿井内形成了大量的采空区，时间久了就容易形成积水区。还有些古窑、近代关闭的小煤窑也有很多是积水区域，当采掘工作面接近这些水体时，就有可能造成地下水突然涌入矿井的事故。老空区积水水体的特点是：水体压力传递迅速，流动与地表水流相同，不同于含水层中地下水的渗透。为了保证井下的安全生产，必须消除这些隐患，因此，使用探放水的技术手段，找出采空区内积水位置，并将水排放或控件来。目前，在探放水技术手段方面已经取得了相当多的研究成果，经现场应用检测，也取得了良好的效果。探测水源常用的方法有以下几种。

（1）地球物理勘探技术

利用地球物理的原理，根据各种岩石之间的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异，选用不同的物理方法和物探仪器，测量工程区的地球物理场的变化，以了解其水文地质和工程地质条件的勘探和测试方法。

地球物理勘探技术可以分为三类：①重力勘探，是通过观测不同岩石引起的重力差异来了解地下地层的岩性和起伏状态的方法。②磁力勘探，是通过观测不同岩石的磁性差异，来了解地下岩石情况的方法。③电法勘探，通过观测不同岩石的导电性差异来了解地下地层岩石情况的方法。

近几年地球物理勘探技术广泛应用在在煤矿防治水领域，探索出几种效果显著的方法： ①瞬变电磁法（TEM）探测技术，②高密度高分辩率电阻法探测技术，③直流电法探测技术，④音频电穿透探测技术，⑤瑞利波探测。

另外，还有一些其他地球物理勘探方法，如钻孔雷达探测、坑透、地震槽波探测等探测技术。大同煤矿集团近几年在直流电法方面探测小煤窑、老空区积水应用比较多，也取得了比较好的效果，在矿井防治水工作方面起到了一定的作用，促进了煤矿安全工作。

（2）地球化学勘探技术

地球化学勘探的方法是通过系统测量天然物质的地球化学性质，发现各种类型的地球化学异常的一种调查方法。现有的各种地球化学勘查方法主要是根据采样对象来划分的。如岩石地球化学测量、土壤地球化学测量、水地球化学测量、水系沉积物地球化学测量、湖积物地球化学测量、气体地球化学测量和生物地球化学勘查等。各种测量方法又因地质地理条件不同及选用的具体采样物质不同而发展成若干方法的变种。

在煤矿采空区积水区探查中，主要是通过水质化验、示踪试验等，利用不同时间、不同含水层的水质差异，确定突水水源，评价含水层水文地质条件，确定各含水层之间的水力联系。主要的技术方法包括：①水化学快速检测技术，②透水水源快速识别技术，③连通试验。

（3）钻探技术

钻探技术，作为最基础的采空积水区探查手段，曾经受到了极大地限制，但最近十几年来，国内外钻探技术有了很大的发展，发展出适用于各种工作场合的钻机。因此，应用钻探技术，不管在地面用钻机还是井下坑道钻机，均可实现“随钻测斜，自动纠偏”。钻探技术已经满足对老空积水区探查的要求。

（4）井巷地质、水文地质条件分析

井巷地质、水文地质条件分析主要是对井下已揭露的地质与水文地质现象进行观察、测量、统计计算等分析研究，从而达到认识和了解矿井水文地质条件的目的。常用的井巷地质、水文地质条件写实分析技术方法有：

①井巷地质现象与水文地质现象描述。

②井巷地质现象与水文地质现象摄影。

③矿井地质构造与裂隙测量、地质统计与地质作图。

用井巷地质、水文地质条件分析方法，往往可以直接确定老空积水的范围，积水高度，然后计算积水量。比如白煤公司井田14号层东303、东402老空积水区有明确的出水点标高，又可以在采掘工程平面图通过等级高线划定积水范围。方法简单、快速、准确。

3.5老空积水的排放

老空区积水（采空区、老窑和已经报废的井巷积水）积存于生产、开拓水平以上，水量集中，来势凶猛，一但揭露，就会以突然溃出，具很大的冲击力及破坏力，是煤矿主要水患之一。但是老空积水一但查明以后，往往易于防治。对于生产矿井本身的老空区、旧巷道积水，应认真核实图纸资料，查明积水区的水量、最低点、最高点，然后制定探放水措施或方案进行探放水。

3.5.1巷道掘进期间的排放

在巷道掘进时可以同时进行探放水，一种是探同层的老空区积水，一种是探上层的老空区积水。在老空积水区下部煤层掘进、回采前，须排放尽上层的积水。一般的做法是边掘边放，放一段掘一段，掘进期间制定探放水措施，根据过去的经验，将调查和勘探（包括物探）获得的小窑、老空的资料，经过分析确定“三条界线”，即积水线、探水线、警界（戒）线，然后进行探放水。

探放水的方法简单易行，直接用专用探水钻机向前（或上部）积水区打钻孔。放水钻孔的直径一般不超过73 mm。

在探放上层积水时，钻孔的倾角一般在40-70度之间，钻孔的深度约在70米以内。最近几年，有矿井用TUX-150型钻机打孔，深度（斜深）可达到目的130米。在钻孔孔口处安装孔口管，固定阀门，控制放水，水压一般在0.5 Mpa以下，既便于操作，又安全可靠。

 

图3.9 巷探设计图

Fig.3.9 Lane probe design

3.5.2地面打井抽水

有的时候老空积水区周围没有巷道及其它空间，从本层无法放水。当积水区下方（或叫下部煤层中）没有掘进巷道时，井下无法施工钻孔，达不到放水的目的，这种情况下可以考虑从地面向积水区内打钻孔，进行抽水。同煤集团的四台沟矿呈经用抽水的方法排放古塘积水。这类钻孔的孔径比较大，约在0.40-0.50m左右，潜水泵与排水管连接，从孔口一直下到积水区以下。 

地面施工这种抽水钻孔，钻孔成本高，排水成本相对也高，同时受多种因素限制，比如地面无法设排水沟，取电远等问题。

3.6探放水安全技术措施

3.6.1探放水前的准备工作

（1）在组织施工前，要求施工单位将打钻所需的材料及工具，设备准备到位，不能因为准备工作的原因而影响施工。

（2）在运输煤矿用坑道钻机等大件设备的过程中，运输人员应轻拿轻放，避免设备因受力碰撞而受损。

（3）钻机及其附属设施及各部件间连接要牢固可靠，并在每次使用前检查，确保施工的安全。

（4）每次开钻前，检查钻杆接头的牢固情况，严防脱钻事故的发生；钻杆要达到不堵塞、不弯曲、丝口不磨损。

（5）在组织施工前，要求施工人员对钻机附近10米范围内的巷道支护进行检查，发现巷道支护受损的及时处理并加强支护，并打好立柱和挡板。

（6）保持钻场有足够的安全空间，便于施工。

（7）在巷道低洼处非人行侧及时挖好水仓，清理好临时水沟，确保排水畅通无阻。

（8）平巷时，将排水管随掘进向前延接，迎头20米范围使用软管。

（9）在打钻地点附近安设专用电话及报警装置，并保证随时与调度室联系。

（10）在探放水过程中，技术人员和探放水人员不能离开现场，必须保证钻孔的施工的技术参数符合设计规定，确保钻孔位置、方位，深度以及钻孔数目。

（11）在探放水过程中，必须坚持对探放水地点空气成分进行检查，以防止瓦斯或其它有害气体浓度超标。如果瓦斯浓度超过0.8%或其他有害气体浓度超过《煤矿安全规程》第一百条规定时，必须立即停止探放水作业，切断电源，撤出人员，并报告矿调度室，及时处理。

3.6.2技术要求

（1）安钻探水前的技术要求

①安钻地点与积水区间距小于探水规定的超前距，或有突水征兆时，应在采取加固措施或用水闸墙封闭后，另找安全地点探放水。

②钻窝应避免做在断层带或松软岩层内。

③钻机安装必须平稳牢固。安好钻机接电时，要严格执行停送电制度。

④事先对巷道排水沟进行修理，以保证排出水迅速流出。对巷道内吊挂设施进行整，以免影响排水工作的进行。

（2）探水施工中的技术要求

①钻进时应准确判别煤、岩层厚度并做好详细记录。一般每钻进10m或更换钻具时，测量一次钻杆并核实孔深。终孔前再复核一次，如有可能应进行孔斜测量。

②钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等现象时，必须立即停钻，记录其孔深并同时将钻杆固定，但不得取出钻杆。要立即向矿调度室汇报，及时采取措施，进行处理。

③钻进中发现有害气体喷出时，应立即停止钻进、切断电源，将人员撤到有新鲜风流的地点。立即报告矿调度室。

④钻孔内水压过大或喷高压水时，应采用反压和防喷装置的方法钻进，应有防止孔口管和煤（岩）壁突然鼓出的措施：①背紧工作面，在拦板外面加强顶板劫掠，必要时还应在顶、底板坚固地点砌筑防水墙，之后方可放水。②对于水压大于2MPa，中间要穿过煤层的探断层水钻孔，在打穿断层或含水层前，还应下第二层孔口管并超过煤层1 m以上。

⑤在探放作业中，必须加强对含水层、断层、陷落柱等构造的警戒，在进行到构造和积水区之前，应当停止钻进作业，设置好安全设施后，方可继续钻进。

⑥遇高压水顶钻杆时，可用立轴卡瓦和逆止阀交替控制钻杆，使其慢慢地顶出孔口，操作时禁止人员直对钻杆站立。

⑦在探水作业，钻机必须保持运行，在交接班时，不得停机。

⑧探放断层水的探水孔终孔后，孔内有水应进行放水试验。孔内无水时应选择一个孔进行压水试验，检验断层隔水性能；压力一般应略大于断层所承受的静水压力。

（3）放水的技术要求

①钻孔探到水后，要观测水压、水质、水量和估计积水量或补给量。根据矿井排水能力及水仓容量，控制放水孔的流量或调整排水能力，并清理水仓、水沟等。

②对放水地点的风量进行调节，确保有害气体浓度不超标，并增加有害气体的观测次数。

③对放水全过程进行监控，放水结束后，立即核算放水量与预计积水量的误差，查明原因。

3.6.3探放水的安全措施

（1）探水巷道保持平整，不得出现有低洼积水现象。

（2）探水巷必须在探水钻孔有效控制范围内掘进，探水孔的超前距、帮距及孔间距应符合设计要求。每次探水后、掘进前，应在起点处设置标志，并建立挂牌制度。

（3）探放水工作地点的巷道支护要牢固，顶、帮背实，不能出现高吊棚脚等，以确保巷道在较强的水流冲击下，保持巷道的完好性。

（4）对井下职工进行避灾培训，使他们掌握报警信号，学会选择避灾路线。

（5）探水巷道应加强出水征兆的观察，发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现掺水、水色发挥、有臭味等突水预兆时，一旦发现立即停止施工，采取措施，立即报告调度室，情况紧急时必须立即发出警报，撤出所有受水威胁地区的人员。

（6）老空区内不仅有水存在，还储存了大量的有害气体，在钻孔接近老空时，有可能涌出到探放水工作地点，瓦斯检查员必须随时检查空气成分，以确保瓦斯等有害气体浓度不超标。一旦发现瓦斯或其他有害气体超过有关条文规定时，必须立即停止打钻，切断电源，撤出人员，并报告矿调度室。

（7）探放水人员必须按照批准的探放水设计进行施工，如需更改设计，必须报批，经主管领导同意后，方可变更。

（8）其他未尽事宜的按《煤矿安全规程》执行。

4白洞井田内303、402老空区积水探放设计

4.1白洞井田内老空积水概况 

白洞煤业公司（以下简称白洞矿），始建于1955年4月，1958年12月投产，设计能力为90万吨/年，经过40多年的开采，侏罗纪煤层已基本全部采完，在大量的采空区内，形成了多处积水，给矿井生产造成了重大隐患。

大同煤田赋存双纪煤系—侏罗系、石炭系，侏罗系煤田有可采煤层10层，石炭系有可采煤层6层。2001年以前，大同煤矿集团开采的煤层几乎全部是侏罗系的，煤层与煤层之间的距离一般不超过50米（见煤层综合柱状图）。以往的探放水方法是：在开采下层煤时，如果上层采空区有积水，可用小型钻机（比如TUX-75型）从下层的巷道中，直接向上层的积水区中打钻孔就可以放水。放水的水压不会超过0.5 Mpa。

4.1.1积水边界确定

老空积水区特征包括积水范围、积水量和积水高度。积水范围（积水区边界）的确定。一般来说老空区的积水范围不好划定，所以常用各种物探的方法确定积水边界，然后打钻孔验证，并确定积水高度。白煤公司井田内近几年影响生产的积水区有两个，都在侏罗系14号煤层中，一是14号层的东303积水区，二是14号层的东402积水区。根据《煤矿安全规程》的规定：采空区必须及时封闭。采区开采结束后45天内，全部封闭采区。在工作面封闭墙的下部留有返水孔。

根据白煤公司原有的水文地质资料、充水性图，结合井下实地勘查，确定了侏罗系的两个积水区的积水边界。

东303盘区从1980年开采到1985年结束，共有11个工作面，采煤方法有综采和刀柱式，煤厚一般3.46米。盘区从1995年10月开始从采区的封闭墙下部的出水口往外流水，出水口的标高为＋1121 m，到1996年的3月出水量达到800 m³／日，之后涌水量一直保持稳定状态，说明采区内补给水为800 m³／日，采区内低于＋1121 m的空间全部积水，所以积水边界很容易确定，此次预测积水区面积为23.6万m²，估算积水量81.2万m³。

东402盘区从1968年开采到1988年结束，共有9个工作面，采煤方法为刀柱式开采，煤厚2.73-3.87米，一般3.3米。盘区从1991年8月开始从采区的封闭墙下部的出水口往外流水，出水口的标高为＋1164.3 m，到1992年的5月出水量达到1000 m³／日左右，之后涌水量也一直保持稳定状态，说明采区内补给水为1000 m³／日，出水点在采区的最高处，各工作面都低于此标高，所以确定采区内全部积水。预测积水区面积为14.4万m²，估算积水量为43.3万m³。

4.1.2积水量计算 

王宏斌、刘伯教授在《矿井水害防治技术》书提出了关于老空区积水的计算公式^[]：

W＝K·M ·L·h /sina

式中：

W —老空积水的静储量,m³

K—老空的充水系数, 取0.3～0.5

M—采厚,m

L—小窑老空的走向长度,m

h—小窑老空的垂高,m

a—煤层的倾角，（度）

这是一种粗略的计算方法，误差比较大，此次我们采用计算采空区体积的方法来估算老空区的积水量。煤矿都有《回采工作面产量计算台账》，上面详细记录每个回采工作面每月的进度、采高、采空区体积， 所以很容易算出整个工作面开采结束后的累计体积，这样计算出来的采空区体积相对要准确些。通过查找当年的《回采工作面产量计算台账》，计算东303及东402的积水如下：

 

表4.1 白洞矿东303、东402老空区积水计算表

Tab.4.1 Computation of east 303 and east 402 old water out area in Baidong mine

303采区工作采面编号	采空体积（m3 ）	积水量 （万m3）	402采区工作面编号	采空体积（m3 ）	积水量 （万m3）
8302	56800	5.7	8201	57016	5.7
8304	163013	16.3	8203	90256	9.0
8306	350110	35.0	8205	86893	8.7
8308	92906	9.3	8207	75992	7.6
8310	42051	4.2	8204	34108	3.4
8312	85014	8.5	8206	47312	4.7
8302-1	22008	2.2	8208	41897	4.2
合计	789894	81.2		433474	43.3

 

有些地方矿井、乡办煤矿特别是小煤窑因种种原因可能没有《回采工作面产量计算台账》，如果有比较准确的采掘工程平面图，可在图上详细测量出采空区的面积，然后乘以采高来算出采空区的体积，也就是积水量。如果没有采掘工程平面图，只好先用物探的方法（或用其它手段）确定积水范围，然后用上述公式计算积水量。

4.1.3探放水方案

探放水的方法一般有地面打井抽水，井下施工放水钻孔，地面打放水钻孔。这次在白煤公司进行探放水研究，首先提出三种方案，进行对比论证。

（1）第一方案

首先考虑井下打钻孔放水  这是过去常用的方案，一般是从本煤层积水区周边的巷道内积水区打钻孔放水，但前提是放水钻孔要低于积水区。但是从矿井的采掘工程平面图和充水性图（图4.1）中可以看出东303积水区位于井田内向斜的轴部，周边惟一有系统的巷道就是东404集中材料巷，但是材料巷所有部分都高于东303积水区。东402积水区离集中材料巷太远，也不能向积水的最低处打钻。所以这个方案无法实施。

 

图4.1东303、东402积水区图

Fig. 4.1 East 303, East 402 water zones

（2）第二方案

从石炭系现有巷道中向积水区打钻孔  白煤公司过去在开采下层煤时，如果上层有积水，从下层直接向积水区打钻孔放水。前面讲过，方法简单易行。一般上、下煤层之间距不超过50米，钻孔的深度也不超过80米。但是石炭系5号煤层距侏罗系的14煤层（积水区）有240-250米，用以前的方法进行探放水，显然是行不通的。一方面，目前市场上还没有从下向上打300-400米深的钻机,也没有那个矿井或单位施工过去时400米深的向上或斜向上钻孔。另一方面，钻孔施工中孔口管、防喷装置固定十分困难，再者，孔口处的水压达到2.4－2.5Mpa，钻孔打通后，孔内积水向外喷谢，孔口处人员无法工作，所以这种方法不可行。

 

 

图4.2探放上层积水方法

Fig. 4.2 Exploration of the upper water discharge method

（3）第三方案

直通式放水法，从地面布置钻孔，穿过积水区与下部石炭系5号煤层的巷道贯通放水。这是本文重点讨论的放水方案.

4.2探放水设计

白煤公司下一步准备开采石炭系5号煤层301采区的8104工作面，所以本次放水设计主要任务是把侏罗系东303和东402压在8104上面的积水排完，解放8104工作面，达到安全生产的目的。具体任务是放东303老空区8302-1、8302、8304面，东402老空区8204、8206、8208工作面的积水，预计放水36.5万m³。另外在东303的8307工作面内设计一个探孔，验证此工作面确实无积水，做到万无一失。

4.2.1探放水钻孔的定位

根据白洞矿的生产衔接安排，近几年先开采石炭系的301采区，采区的开采顺序是由里向外开采，也叫后腿式开采，从开采方向上讲是从东向西分别开采8104、8106、8108、8110工作面。从图4.1上可以看出，其上部的东303积水区水头最小处、积水标高最大处，也是在积水区的东部。向西水头增大，积水标高降低。这样对放水工作是很有利的，附合《煤矿防治水规定》的要求，即先从积水区的高处、水压小地方向积水区低处、水压大的地方逐步探放，保证在整个放水工程中更安全。

301采区的首采工作面是8104，所以首先考虑探放该工作面上部对应的积水，在设计钻孔位置时应遵循下列原则：

（1）放水钻孔平面位置应设计在2104、5104巷道内，或者尽量靠近此两巷道，这样钻孔与巷道贯通的机率就大些，即使贯通不了，在井下巷道内找钻孔的工程量也较小，节约时间，提高效率。有时受地形的影响，如地面有建筑物、高压线、坟茔等，可适当移动钻孔位置，但以移动最小为好。

（2）放水钻孔的平面位置要穿过积水区内的空区，不能打在煤柱上，否则钻孔报废。

（3）在能达到最佳放水的同时，地面选择平坦的地形，要易于修路、稳装钻机。

根据白煤公司2009年的开采衔接安排，首先将钻孔主要布置在2104和5104巷道内，具体布置钻孔为：

 

 

图4.3放水钻孔位置图

Fig. 4.3 Location of drainage holes

D1号钻孔从5104巷口向里120m,主要放东402盘区8204工作面的积水。

D2号钻孔：距5104巷口200 m, 主要放东402盘区8206工作面的积水。

D3号钻孔：距5104巷口269 m, 主要放东402盘区8208工作面的积水。

D4号钻孔：距5104巷口457 m, 主要探东303盘区8307工作面有无积水。8307工作面位于东303采区积水线以上，应该不会有积水，这里主要是验证一下。

D5号钻孔：距5104巷口675 m, 主要放东303盘区8304工作面的积水。本来钻孔应设计在8304工作面的最低点，但8304工作面是综采工作面的采空区，积水量大，光由D5号钻孔放水，在C8104工作面开采前放不完水，所以增加D7号钻孔共同放8304面的积水。钻孔设计时考虑地形因素，同时考虑排水量。

D6号钻孔：距5104巷口870 m, 主要放东303盘区8302工作面的积水。此钻孔无法设计在2104或5104巷道内，只能布置在工作面的里面，钻孔打到位后，从5104巷道再补打一条小巷道，专门找钻孔，见图中的a巷道。

D7号钻孔：距5104巷口965 m, 但不在5104巷道内, 只能布置在工作面的外面，钻孔打到位后，从5104巷道再补打一条小巷道，专门找钻孔，见图中的b巷道。主要放东303盘区8304工作面的积水。

4.2.2探放水钻孔结构

钻孔的结构关系到好多方面，它与施工工艺有关，与钻孔所过的采空区层数有关，与放水的流量，放水的速度有关，更关系到放水期间的安全问题，所以钻孔的结构是个很重要的因素。结构主要是孔径、钻孔内放水套管的结构、钻孔倾斜度，其次是钻孔深度等。

钻孔的角度：所有钻孔都垂直向下打，从地面开孔，一直打到C₅煤层的巷道中。在钻孔施工区域，原白洞矿侏罗系有4、7、8、11、14煤层的采空区，几乎每个钻孔都要过这些采空区（个别孔或个别层位可能是实体煤柱），现在钻探技术对过古空或空巷不算问题。

钻孔的孔径：孔径关系到放水的流量，钻孔放水流量与矿井的主排水能力要相匹配，还要考虑到放水时间，流量过大，造成主排水系统负担太重，排水管路水压过大，易造成排水过程中管路损坏。孔径偏小刚放水速度慢，增加放水钻孔数量，增加成本，又影响工期。

经反复测算、论证，得到科学合理的孔径应为，终孔孔径73－89 m m，积水区处孔径应为108 m m，开孔146 m m。大体可分为4个部分：

从地表往下到见坚硬基岩层，孔径为146mm，敷设146mm套管。

从见基岩层到积水区下12 m（两根管长），即图中的A点处，孔径为127mm，敷设127mm套管，在套管的下端带一个胶皮垫，将积水区与钻孔隔开，防止积水流到孔内。

从积水区下（A点处）再向下打12 m ，孔径为108 m m。

最后一段孔径换为89mm，至终孔。

 

 

图4.4放水钻孔结构图

Fig.4.4 Drainage hole structure

 

4.2.3钻孔内放水管结构

钻孔打通以后，在孔内开始下放水套管，钻孔内放水套管共分四段：

第一段：从B点以下——终孔敷设89m m普通套管。

第二段：从A点处——B点处敷设108mm普通套管。与下部89mm普通套管连接处带一个胶皮垫，使108mm套管与孔壁之间接触紧密，不留间隙。

第三段：从M点处——14号层底板下0.5m 处，敷设108mm的筛管，以后让积水通过筛管进入孔内放水套管内。

第四段：从孔口——孔内的静水位处，即M点处，此段敷设108mm普通套管。

全部套管下好后，在井下将巷道内的排水管路与孔内的89mm套管连接，并关闭阀门，然后通知钻机队将孔内的127m m套管返出，此时积水可进入放水管内，有少量积水顺108套管的外壁向下流入钻孔内，但到B点处被截住，再不会向下流，所以巷道内不会受积水区水的影响，更不会发生水淹巷道之类的事故，保证安全。

钻孔内的止水锥：有时钻孔打到位置后，巷道还没有掘到钻孔处，放水管路无法与钻孔连接，钻孔有相当长一段时间可能闲置，但积水又不能与钻孔相通，积水不能进入孔内，此时可在钻孔内设计一个止水锥子，将积水与积水区以下的放水管隔开，见图4.5。有时在放水期间，井下放水管路、阀门突然发生故障，无法停止放水，此时将对矿井是个很大的隐患，最好的办法是从钻孔内下止水锥停止放水。止水锥用8.5-6*19 （3分）钢丝绳吊放，并固定在孔口帽上，需要放水时，吊起止水锥，可继续放水。

钻孔的长度：钻孔长度主要考虑与巷道贯通后在巷道中的外露长度，太长会影响巷道中其它工作，影响巷道中大件设备、物料的运输。所以钻孔打通后，应尽量贴近巷道顶板与排水管路连接。

 

图4.5 放水钻孔套管结构图

Fig.4.5 Drainage Drilling casing structure

4.2.4放水管路设计

在930水平的专用回风巷内布设一趟直径150mm（6吋水管）通到930水平的主排水泵房水仓，全长530m，在301采区的皮带巷内,布设一趟直径150mm的排水管，全长890m，与专用回风巷的水管相连，在2104和5104巷道内，各布设二趟直径150mm（4吋水管）的排水管，与皮带巷的水管相连，可供4个钻孔同时放水，2104和5104巷道的水管与钻孔连接。在2104、5104巷道内水压较大，放水期间排水，管路肯定要维修、更换等，所以在钻孔的下端与水管连接处，安装二个阀门，平时只开、关第二阀门（从钻孔开始数超），第一阀门只作应急用。

14号层积水区最低标高+1060m，930水平的主排水泵房水仓标高为，+925m，高差135m，所以从钻孔到930水平的主排水泵房，中间不用水泵，让积水从钻孔自流到930水平的主排水泵房。

放水期间,两个放水孔各用100 mm的水管通到在301采区皮带巷中,并入150 mm的排水管中，放水流量可达到170 m³/h。

放水管选用要注意老空水的水质，特别是要准确化验PH値，对于酸性水，要选用相应的耐酸水泵和水管。由于老空积水量大，放水时间长，所以在放水期间也要定期化验水质，掌握PH値的变化情况。

4.2.5放水工程费用预计

放水工程费用预计

（1） 钻探、管材费用估算

钻孔深度在500米以下,每米单价为了487元,超过500米单价为510元。每个钻孔套管费用大约5.5—6.0万元,详细钻探费用见下表：

表4.2 钻探费用表

Tab.4.2 Drilling cost table

 

本次放水在地面打钻孔8个,需在山上修路约1110多m,修路基本上全部是挖掘山上的风化基岩,修路及占地费用估算如下表：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表4.3 修路、修钻场费用估算表

Tab.4.3 Cost estimate table of building roads and repairing table drill field

 

4.3施工技术安全措施及安全防护措施

4.3.1施工技术安全措施

（1）钻机稳装、搬运过程的安全措施

①所有钻孔要严格按照设计要求施工，必须安排专人跟班，携带量具现场把握各个参数，确保施工质量。

②钻场周围所有设施必须牢固、完好，钻孔时要注意观察孔内情况，确保施工安全。

③钻机安装必须稳牢水平、周正。防止在钻机运行过程中，钻机位置变化，影响钻孔质量。钻机立轴、天车与孔口中心必须位于同一直线上，保证钻孔的垂直度。

④机械传动部分及皮带，应设置防护栏杆，防止人员及工具绞进皮带，造成伤人或其它事故。

⑤电器设备必须安装在干燥、清洁的地方，严防油、水及杂物侵入，电器设备及启动、调整装备的外壳，应有良好的接地保护装备。

⑥在黄土地方施工时，水源池及沉淀池须离开钻塔1米以外，防止渗软钻塔地基。

⑦水源池及沉淀池的深度不能超过1.5米。

⑧利用超重机装卸重物时，要有专人指挥，事先检查好超重机械。超重机转动范围内严禁站人，更不允许站在重物上随吊起落。

（2）钻孔施工中的安全技术措施

①在冲积层中冲洗钻孔时，必须经常回转及提动钻具，严禁静放钻具冲孔。

②下钻具中途受阻时，要认真分析，考虑钻孔情况，如有脱落岩芯掉块，坍塌现象，不准硬墩，可将钻具提起进行冲洗。

③钻进过程不可追求进尺，不管质量，导致钻孔打斜，造成井下找孔困难。严重时无法下套管，造成废孔。

④每次下套管前要带钻头扫一次同径部分的钻孔,然后再下套管，防止卡管。

⑤换径钻进时要用岩芯管作导向。

⑥钻孔打通到14号层积水后,通知物探部门,由电测井车准确测量孔内的静水位,并详细记录。

4.3.2防护措施

（1）钻工上岗前，必须衣帽整齐，袖口、衣扣扣好，禁止戴手套，防止钻机绞人；打钻过程中，操作人员要精力集中，做到操作稳准，接（卸）钻杆时，要注意安全，严防钻机绞人，工具伤人。

（2）钻孔与采空区打通后,马上测量孔内气体情况,防止有CO、CH4等有毒、有害气体涌出,发生意外事故。

（3）钻机工地要注意防火,配齐、配全灭火器材。

（4）在森林区、禁牧区施工时，应严格遵守国家的有关防火规定。

（5）井下安装放水管路时，要严格执行白洞煤业公司入井人员的相关规定。

4.4实施效果

地面钻孔从2009年的6月17日开始施工，到11月17日结束，共打钻孔8个，钻孔平均深度430m，参与放水的钻孔5个，D1、D2、D3、D5、D6；D4钻孔打到14层的8307工作面后，经测定无积水，与原来分析、判断的一致。D8钻孔打到14层的8302-1工作面后，经测定无积水，原判断此工作面有2.2万m³积水,现在却没有水，分析其原因很可能是，8302-1与8302工作面之间的煤柱太小，只有7m，采完至今已经28年了,估计煤柱已压坏，两个工作面之间有连通之处，所以在D6钻孔放水时, 8302-1的积水流到了8302工作面。

D1号钻孔到位后终孔深度455.51 m。终孔位置偏离5104巷道中线4.8 m。

D2钻孔终孔深度521.26 m。到位后偏离5104巷道中线5.3 m。 

D3钻孔终孔深度453.52 m。到位后偏离5104巷道中线1.5 m，与巷道贯通，贯通位置很理想。

D5钻孔终孔深度491.15 m。到位后偏离5104巷道中线0.4 m，与巷道贯通，贯通位置很理想。

D6号钻孔终孔深度526.80 m。到位后偏离设计位置9.6 m，掘a巷道找到钻孔。

D7号钻孔终孔深度464.61 m。到位后偏离设计位置1.3m，掘b巷道找到钻孔。

没有与巷道贯通的钻孔，由电测井资料提供孔底坐标，从5201或2104掘小巷道找到。

各钻孔的最终套管结构基本与设计相同，只是孔深不同，长短有别，见图4.6。

 

 

图4.6 1号孔套管结构图

Fig.4.6  NO.1 hole tube structure

 

3号孔的结构比较特殊，见图4.7。孔内套管下部，即图中C点以下20.4 m一段直径为73 m m，C点以上为89 m m。具体情况是钻孔终孔以89 m m的直径与巷道贯通后，孔内涌水量当时就达到小时50－60 m³，分析原因是钻孔打到距C5巷道顶板22.2 m处遇到一条导水断层，导致钻孔出水。当时用一同直径的木塞下到433.32 m处（距C5巷道顶板22.2 m处）将水止住，推测断层面大约在孔深433.32 m处。所以从积水区以下部分再下108 m m的套管将断层水止住，此套管将永远留在钻孔内，C点以上部分放水管只好减小为89 m m，以下则改为73 m m。这是8个钻孔在施工中出现的唯一特殊情况，也是在设计中没有想到的问题。

 

图4.7  3号孔套管结构图

Figure 4.7  NO.3 hole tube structure

 

放水是从2009年6月27日开始，到2010年4月10日结束，共放水68.4万m³。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表4.4 放水统计表

Tab.4.4 Statistics table of drainage

放水钻孔编号	放水时间	放水量 （万m3）	原预计放水量 （万m3）	相差数量 （万m3）
D1	2009年 8月31日----10月14日	9.2	3.4	+5.8
D2	2009年 9.2月10日----12月17日	20.8	4.7	+16.1
D3	2009年---2010年 10月18日----2月15日	23.0	4.2	+18.8
D5	2009年 6月27日----7月18日	4.0	2.7	+1.3
D6	2009年 6月27日----8月10日	8.0	5.7	+2.3
D7	2009年 8月15日----11月13日	15.8	13.6	+2.2
合计		80.8	34.3	+46.5

 

放水期间，对D1、D2、D3、D5、D6、D7钻孔进行了水位测量，经多次测量发现，D1、D2、D3水位标高基本一致，说明402采区内的8204、8206、8208工作面相互连通，每个工作面的密闭墙起不到隔水作用。

D1、D2、D3三个钻孔的放水量为53.0万m³,比原预计放水量12.3万m³多出40.7万m³，分析原因有：一是402采区右翼的8201、8203、8205工作面的积水和8207工作面的部分积水也通过D1、D2、D3这三个钻孔放出;二是放水前对402左、右两翼积水估算为43.3万m³,现在放出53万多方水,比原估算的要多出10万m³,由此分析402老空区有日常补给水, 放水共计160多天,推算补给量大约为600-750 m³/d。

D5、D6、D7三个钻孔的放水量为27.8万m³,比原预计放水量22.0万m³多出5.8万m³,由此分析东303老空区也有补给水, 放水共计140多天,推算补给量大约为400-450m³/d。

2010年4月10日放水工作结束，8104工作面于7月开始准备，9月10日正式开采，放水结束时间比开采时间提前5个月，附合要求和规定。本次探放水设计比较成功，解放了8104工作面，解放储量170万吨，达到了预期放水目的。

5结论与展望

5.1结论

本论文大同白洞矿老空水为研究对象，重点研究老空水的形成机制老空水的防治技术，以及老空水排水方案的制订。通过研究得出如下结论:

（1）老空水的形成包括老空区的聚水空间、充水通道和充水水源三个因素，这三个因素缺一不可。聚水空间在纵向上位于冒落带和裂隙带内，在横向上位于未充分充填区。充水水源主要是含水层水、煤系顶板砂岩裂隙水与灰岩水。充水通道主要为顶底板破坏造成的导水裂隙带和陷落柱。

（2）利用地球物理勘探技术、地球化学勘探技术、钻探技术和井巷地质、水文地质条件分析，能够确定白洞矿老空水的积水空间。

（3）对不同煤系中老空区积水探放进行了优化设计，完善和改进了采空区探放水方案、钻探工艺、放水钻孔结构、放水套管的结构等技术问题。

（4）直通式放水法在同煤集团白洞矿应用取得了一定的安全效果和经济效益，对同煤集团的其它矿井（包括其它双系煤田的矿井）今后在开采石炭系时的探放水技术有了新的理论基础和指导思想，具有很好的经济效益和社会效益。

5.2展望

（1）这种采空区积水防治技术在理论分析上还没有达到应有的深度，在下一步工作中，重点做好对防治技术的数值模拟和力学分析。

（2）采空区积水防治技术的安全技术措施还没有经过深入的验证，需要进一步探讨，以防止在防治采空区积水时出现安全事故。