Cheng Zhanguo.Application analysis on comprehensive exploration and drainage technology of goaf water accumulation area in small coal mine[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(7)：130-133，137.
0 引言
小煤矿采空积水区是煤矿防治水工作的难点与重点，尤其在工作面的掘进与回采过程中对煤矿的安全生产造成严重威胁。其具有严重威胁的主要原因有：①小煤矿私挖乱采严重，而且大部分矿井未能进行专业测量图纸的绘制，导致采空区的位置有很大的不确定性，采空内的富水性和积水区范围也未开展过有效的探测工作，隐患很大；因此小煤矿资源被整合后其遗留的采空积水区会存在采空区范围及积水情况不详等主要问题，基本需要重新对其进行探查。②矿方对小煤矿采空积水区防治[1-8]工作重视程度不够，往往因为生产赶进度而忽视，即生产单位施工时未采取针对采空积水区的探查技术措施，或是对探查技术措施执行不到位，应付了事。③现有的对老空区的探查与探测技术手段单一性强，导致对采空积水区定位准确性差，并且探测结果存在多解性，同时探测结果具有一定盲区。针对采空积水区问题之前主要采用方法主要为地面物探[9-10]与钻探法，地面物探与钻探因其施工距离远、探查精度较低，对大面积采空区有一定效果，而对老巷及小范围采空区控制精度严重不够。
针对以上关于小煤矿采空积水区未能有效探查的问题现状，柳湾煤矿在巷道掘进工作过程中严格按照《煤矿防治水细则》中相关防治水的安全技术措施，主要采用井下物探、钻探、化探3项技术手段，通过更近距离探查目标体以保证探查精度，通过探查技术的有效保障措施以保证探查结果的准确性。此外结合工程实例，物探探测靶区异常区，钻探验证与疏放物探富水异常区，化探跟进定性分析水质类型的工作思路与方法的正确性，以完成对小煤矿采空积水区的有效探测，更好地为矿井生产中小煤矿采空积水区的防治提供技术指导依据。
1 技术手段介绍
井下物探技术在煤矿地质及防治水工作中的应用已有十几年的历史，其主要解决的问题按地质类型分类可分为地质构造类异常体和水害类异常体。目前解决煤矿井下水害类问题的物探方法以电法类为主，技术原理主要依据煤矿井下煤岩层及水体的电性差异，在工作过程中人工激发产生电场或电磁场会使探测目标介质感应产生对应的电场或电磁场，然后通过一定的测量仪器和工作装置观测与测量电场或电磁场的变化规律，从而解决相应的地质问题[11-17]。井下电法类技术方法有井下瞬变电磁法与井下直流电法，这两种物探方法均可用于掘进巷道超前物探。井下物探方法有如下技术特点：①物探技术可实现多角度与全方位探测；②物探技术现场施工便捷，工作效率高；③物探技术具有多解性，需辅助以其他探测手段以提高准确度；④物探技术对工作现场有一定的技术要求，工作质量易受到现场条件干扰。
目前，柳湾煤矿主要采用井下瞬变电磁法进行掘进巷道采空积水区富水异常的探测。相对井下直流电法，瞬变电磁法具有现场施工效率高、工作灵活及可全方位探测技术优点，同时又具有易受现场工作环境中金属物干扰和现场施工条件要求相对苛刻等技术缺点。因此，为了保证瞬变电磁物探工作的有效性和探测结果的准确性，柳湾矿在实际工作中严格要求现场施工队充分清理工作面空间，以保障现场满足探测条件。
井下钻探技术作为一种重要的探测技术手段在地质构造探测、探放水、瓦斯探测等工作中应用广泛，具有结果直观、准确度高的特点，同时存在一孔之见导致结果相对局限的缺点。化探技术主要是借助原子吸收光度计、分光光度计、天平等设备对水样进行化学分析，测定其不同种类的化学指标，通过对化学指标的分析而判定水样的水质类型，进而推断判别水源[18-20]。通过分光光度和离子电极检测系统快速测定水样的化学成分，并运用灰关联评价、模糊评判、聚类分析和神经网络等算法，与样品水源数值特征数据进行对比，为矿井突水水源识别提供判定依据。
2 工程实例
2.1 概况
柳湾煤矿五盘区西翼胶带巷位于井田南部，工作面自西向东沿11号煤层掘进，工作面煤层倾角约为上山5°，上部为9号、10号煤。工作面附近分布有马圈沟煤矿破坏区，据调查，该区域小煤矿井筒于2008年关闭，采用黄土实填，井筒封闭良好，批采9号、10号、11号煤层，越层越界现象普遍，私挖乱采严重(图1)，西翼胶带巷在掘进期间预计会揭露该区域小窑积水区。
图1 西翼胶带巷与马圈沟煤矿预测破坏区对应平面Fig.1 Corresponding plan of predicted damage zone ofwest wing belt roadway and Maquangou Coal Mine
2.2 物探情况
西翼胶带巷工作面在掘进期间严格按照物探探测靶区异常区、钻探验证与疏放物探富水异常区、化探跟进定性分析水质类型的工作思路与方法，2019年7月9日在巷道P51点东51处采用瞬变电磁法进行超前探测，现场探测时共施工了5个探测方向，即巷道底板下15°方向、顺煤层方向、巷道顶板上15°方向、巷道顶板上30°方向、巷道顶板上45°方向。每个探测方向布置平面测点11个，自左向右分别对应1—11号点。西翼胶带巷瞬变电磁超前探测测点布置如图2所示。
图2 西翼胶带巷瞬变电磁超前探测测点布置Fig.2 Schematic of arrangement of transientelectromagnetic advance in west wing belt roadway
物探结果如图3所示。由图3可知，巷道底板下15°方向、顺煤层方向、巷道顶板上15°方向、巷道顶板上30°方向、巷道顶板上45°方向5个探测方向的剖面分别确定3处异常区。
图3 物探结果Fig.3 Geophysical prospecting results
比较5个方向所探成果发现，顺层方向、底板方向、顶板方向所探物探低阻异常区趋势及等值线变化形状基本一致，其中顺层方向2号、3号异常尤为明显，阻值较低，等值线呈闭合环状。结合采掘图水文地质资料，综合分析工作面异常区推测应由马圈沟煤矿9号、10号、11号采空积水区所致。
2.3 钻探验证
针对所做物探低阻异常区，2019年7月23日在西翼胶带巷P51点东56 m处施工钻孔进行验证，具体钻探结果见表1。2019年7月31日在西翼胶带巷P51点东78 m处施工钻孔再次进行钻探验证，具体钻探结果见表2。
表2 2019年7月31日钻探验证结果Tab.2 List of drilling exploration results on July 31，2019序号方位/(°)倾角孔深/m钻探结果①90上山1°1711号煤空巷,少量渗水②84上山1°1711号煤空巷,少量渗水③96上山1°1711号煤空巷,少量渗水④78上山3°2111号煤空巷,少量渗水⑤102上山2°1711号煤空巷,少量渗水⑥112上山3°1711号煤空巷,少量渗水⑦114上山1°1711号煤空巷,少量渗水⑧77上山30°189号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水⑨100上山35°179号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水⑩105上山31°189号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水
表1 2019年7月23日钻探验证结果Tab.1 List of drilling exploration results on July 23，2019序号方位/(°)倾角孔深/m钻探结果①90上山6°4211号煤空巷,满孔水②90上山5°4111号煤空巷,满孔水③77上山5°2511号煤实体,少量渗水④90上山6°4111号煤空巷,满孔水
经钻探验证，此次钻探共施工14个钻孔，其中钻探至11号煤空巷，出水钻孔有11个，钻探至9号煤采空冒落带，渗水的钻孔有3个。经统计，该处共疏放小窑采空区积水3.1万m3；待积水排除完毕安全与前方小窑空巷贯通后，进入空巷进行探查，共实测小窑空巷约120 m，实测采空区面积约360 m2。
2.4 化探结果
针对钻探出的积水及时进行取样并化验，该处积水为弱酸性，钙离子含量占比46.44%，硫酸根离子含量占比80.78%，定性该积水水源为采空区积水，推测为工作面附近马圈沟小窑采空区积水。
3 结论
柳湾矿通过工程实例，采用物探探测提供异常靶区，钻探验证与疏放富水异常区，化探跟进定性分析水质类别的工作思路是切实可行的，并且在实际工作中需践行每一步探测，认真分析总结，真正做到多种手段验证。通过以上技术手段综合探测，小煤矿采空(破坏)区积水是可防可控的，同时后续需针对小煤矿破坏严重、采空区积水较多的矿井继续加强综合探测技术的应用研究，以积累更多的工作经验，更好地服务于矿井防治水工作。
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0 引言小煤矿采空积水区是煤矿防治水工作的难点与重点，尤其在工作面的掘进与回采过程中对煤矿的安全生产造成严重威胁。其具有严重威胁的主要原因有：①小煤矿私挖乱采严重，而且大部分矿井未能进行专业测量图纸的绘制，导致采空区的位置有很大的不确定性，采空内的富水性和积水区范围也未开展过有效的探测工作，隐患很大；因此小煤矿资源被整合后其遗留的采空积水区会存在采空区范围及积水情况不详等主要问题，基本需要重新对其进行探查。②矿方对小煤矿采空积水区防治[1-8]工作重视程度不够，往往因为生产赶进度而忽视，即生产单位施工时未采取针对采空积水区的探查技术措施，或是对探查技术措施执行不到位，应付了事。③现有的对老空区的探查与探测技术手段单一性强，导致对采空积水区定位准确性差，并且探测结果存在多解性，同时探测结果具有一定盲区。针对采空积水区问题之前主要采用方法主要为地面物探[9-10]与钻探法，地面物探与钻探因其施工距离远、探查精度较低，对大面积采空区有一定效果，而对老巷及小范围采空区控制精度严重不够。针对以上关于小煤矿采空积水区未能有效探查的问题现状，柳湾煤矿在巷道掘进工作过程中严格按照《煤矿防治水细则》中相关防治水的安全技术措施，主要采用井下物探、钻探、化探3项技术手段，通过更近距离探查目标体以保证探查精度，通过探查技术的有效保障措施以保证探查结果的准确性。此外结合工程实例，物探探测靶区异常区，钻探验证与疏放物探富水异常区，化探跟进定性分析水质类型的工作思路与方法的正确性，以完成对小煤矿采空积水区的有效探测，更好地为矿井生产中小煤矿采空积水区的防治提供技术指导依据。1 技术手段介绍井下物探技术在煤矿地质及防治水工作中的应用已有十几年的历史，其主要解决的问题按地质类型分类可分为地质构造类异常体和水害类异常体。目前解决煤矿井下水害类问题的物探方法以电法类为主，技术原理主要依据煤矿井下煤岩层及水体的电性差异，在工作过程中人工激发产生电场或电磁场会使探测目标介质感应产生对应的电场或电磁场，然后通过一定的测量仪器和工作装置观测与测量电场或电磁场的变化规律，从而解决相应的地质问题[11-17]。井下电法类技术方法有井下瞬变电磁法与井下直流电法，这两种物探方法均可用于掘进巷道超前物探。井下物探方法有如下技术特点：①物探技术可实现多角度与全方位探测；②物探技术现场施工便捷，工作效率高；③物探技术具有多解性，需辅助以其他探测手段以提高准确度；④物探技术对工作现场有一定的技术要求，工作质量易受到现场条件干扰。目前，柳湾煤矿主要采用井下瞬变电磁法进行掘进巷道采空积水区富水异常的探测。相对井下直流电法，瞬变电磁法具有现场施工效率高、工作灵活及可全方位探测技术优点，同时又具有易受现场工作环境中金属物干扰和现场施工条件要求相对苛刻等技术缺点。因此，为了保证瞬变电磁物探工作的有效性和探测结果的准确性，柳湾矿在实际工作中严格要求现场施工队充分清理工作面空间，以保障现场满足探测条件。井下钻探技术作为一种重要的探测技术手段在地质构造探测、探放水、瓦斯探测等工作中应用广泛，具有结果直观、准确度高的特点，同时存在一孔之见导致结果相对局限的缺点。化探技术主要是借助原子吸收光度计、分光光度计、天平等设备对水样进行化学分析，测定其不同种类的化学指标，通过对化学指标的分析而判定水样的水质类型，进而推断判别水源[18-20]。通过分光光度和离子电极检测系统快速测定水样的化学成分，并运用灰关联评价、模糊评判、聚类分析和神经网络等算法，与样品水源数值特征数据进行对比，为矿井突水水源识别提供判定依据。2 工程实例2.1 概况柳湾煤矿五盘区西翼胶带巷位于井田南部，工作面自西向东沿11号煤层掘进，工作面煤层倾角约为上山5°，上部为9号、10号煤。工作面附近分布有马圈沟煤矿破坏区，据调查，该区域小煤矿井筒于2008年关闭，采用黄土实填，井筒封闭良好，批采9号、10号、11号煤层，越层越界现象普遍，私挖乱采严重(图1)，西翼胶带巷在掘进期间预计会揭露该区域小窑积水区。图1 西翼胶带巷与马圈沟煤矿预测破坏区对应平面Fig.1 Corresponding plan of predicted damage zone ofwest wing belt roadway and Maquangou Coal Mine2.2 物探情况西翼胶带巷工作面在掘进期间严格按照物探探测靶区异常区、钻探验证与疏放物探富水异常区、化探跟进定性分析水质类型的工作思路与方法，2019年7月9日在巷道P51点东51处采用瞬变电磁法进行超前探测，现场探测时共施工了5个探测方向，即巷道底板下15°方向、顺煤层方向、巷道顶板上15°方向、巷道顶板上30°方向、巷道顶板上45°方向。每个探测方向布置平面测点11个，自左向右分别对应1—11号点。西翼胶带巷瞬变电磁超前探测测点布置如图2所示。图2 西翼胶带巷瞬变电磁超前探测测点布置Fig.2 Schematic of arrangement of transientelectromagnetic advance in west wing belt roadway物探结果如图3所示。由图3可知，巷道底板下15°方向、顺煤层方向、巷道顶板上15°方向、巷道顶板上30°方向、巷道顶板上45°方向5个探测方向的剖面分别确定3处异常区。图3 物探结果Fig.3 Geophysical prospecting results比较5个方向所探成果发现，顺层方向、底板方向、顶板方向所探物探低阻异常区趋势及等值线变化形状基本一致，其中顺层方向2号、3号异常尤为明显，阻值较低，等值线呈闭合环状。结合采掘图水文地质资料，综合分析工作面异常区推测应由马圈沟煤矿9号、10号、11号采空积水区所致。2.3 钻探验证针对所做物探低阻异常区，2019年7月23日在西翼胶带巷P51点东56 m处施工钻孔进行验证，具体钻探结果见表1。2019年7月31日在西翼胶带巷P51点东78 m处施工钻孔再次进行钻探验证，具体钻探结果见表2。表2 2019年7月31日钻探验证结果Tab.2 List of drilling exploration results on July 31，2019序号方位/(°)倾角孔深/m钻探结果①90上山1°1711号煤空巷,少量渗水②84上山1°1711号煤空巷,少量渗水③96上山1°1711号煤空巷,少量渗水④78上山3°2111号煤空巷,少量渗水⑤102上山2°1711号煤空巷,少量渗水⑥112上山3°1711号煤空巷,少量渗水⑦114上山1°1711号煤空巷,少量渗水⑧77上山30°189号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水⑨100上山35°179号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水⑩105上山31°189号煤空巷冒落带,少量渗水满孔水表1 2019年7月23日钻探验证结果Tab.1 List of drilling exploration results on July 23，2019序号方位/(°)倾角孔深/m钻探结果①90上山6°4211号煤空巷,满孔水②90上山5°4111号煤空巷,满孔水③77上山5°2511号煤实体,少量渗水④90上山6°4111号煤空巷,满孔水经钻探验证，此次钻探共施工14个钻孔，其中钻探至11号煤空巷，出水钻孔有11个，钻探至9号煤采空冒落带，渗水的钻孔有3个。经统计，该处共疏放小窑采空区积水3.1万m3；待积水排除完毕安全与前方小窑空巷贯通后，进入空巷进行探查，共实测小窑空巷约120 m，实测采空区面积约360 m2。2.4 化探结果针对钻探出的积水及时进行取样并化验，该处积水为弱酸性，钙离子含量占比46.44%，硫酸根离子含量占比80.78%，定性该积水水源为采空区积水，推测为工作面附近马圈沟小窑采空区积水。3 结论柳湾矿通过工程实例，采用物探探测提供异常靶区，钻探验证与疏放富水异常区，化探跟进定性分析水质类别的工作思路是切实可行的，并且在实际工作中需践行每一步探测，认真分析总结，真正做到多种手段验证。通过以上技术手段综合探测，小煤矿采空(破坏)区积水是可防可控的，同时后续需针对小煤矿破坏严重、采空区积水较多的矿井继续加强综合探测技术的应用研究，以积累更多的工作经验，更好地服务于矿井防治水工作。参考文献[1] 刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采空区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报，2005，34(4)：414-417.Liu Shucai，Liu Zhixin，Jiang Zhihai.The application of transient 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