井下老空積水探測技術方案的應用研究

楊紅剛

（霍州煤電集團晉南煤業(yè)有限公司，山西 河津 043300）

騰暉煤業(yè)三采區(qū)范圍內(nèi)存在11處采空區(qū)，其中4處采空區(qū)內(nèi)存在積水。區(qū)域內(nèi)原各小煤窯采空區(qū)多有連通，受井田西低東高的單斜構(gòu)造影響，周邊采空積水向井田中部采空區(qū)形成補給。三采區(qū)采掘活動范圍大部分在采空區(qū)域內(nèi)，在施工過程中需要揭露采空區(qū)，形成采空區(qū)積水突水威脅，且在有隱伏導水構(gòu)造橫向溝通積水區(qū)與三采區(qū)井巷工程時，則會發(fā)生嚴重的采空積水突水事故。因此需要對井下采空區(qū)進行專門的地質(zhì)勘探，確定積水區(qū)域范圍和積水程度。目前常規(guī)的物探方案勘探效率低，精確性差[1]，難以滿足井下快速勘探需求，嚴重影響了井下的綜采安全性。

本文結(jié)合騰暉煤業(yè)井下的實際情況，提出了一種新的瞬變電磁法勘探+探水鉆孔優(yōu)化布置的方案，實現(xiàn)了對井下積水區(qū)域的快速探測和精確判斷，據(jù)實際應用表明該組合式積水探測技術能夠?qū)⑻綔y精度提升到98.5%，將探測效率提升68.4%，顯著提升了井下老空水區(qū)域探測的精確性和可靠性。

1 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法是通過向探測區(qū)域發(fā)送脈沖磁場，然后在前一次脈沖磁場間歇期間利用接收裝置觀測二次渦流的方法來實現(xiàn)地質(zhì)條件勘探的[2]。不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了二次渦流衰減情況不一致，金屬礦體、含水區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的二次渦流衰減比較慢，而其他區(qū)域產(chǎn)生的二次場衰減則比較快，不同距離處的二次場衰減情況也有明顯的區(qū)別，因通過對測得的二次場衰減趨勢的分析，即可確定探測區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況，瞬變電磁法探測的基本原理如圖1所示[3]。

圖1 瞬變電磁法原理圖

根據(jù)井下的實際地質(zhì)情況，為了提升探測效率和精確性，決定采用瞬變電磁法的方案對工作面迎頭100 m范圍內(nèi)進行探測，探測時選用YCS512型瞬變電磁儀，其具有探測精度高、抗干擾性強、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。探測后利用專業(yè)的轉(zhuǎn)換軟件對其進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，然后利用Sufer軟件[4]進行編輯，便于顯示各個探測區(qū)域的地質(zhì)情況，其在勘探前方+10°、0°、-10°，不同區(qū)域的探測結(jié)果如圖2所示，顏色越深表示積水越嚴重。

圖2 瞬變電磁法探測效果示意圖

由實際探測結(jié)果可知，井下積水區(qū)域主要集中在巷道左側(cè)約40～50 m區(qū)域及左側(cè)45°軸線方向上，存在著較大的積水賦存區(qū)，為了進一步驗證瞬變電磁法的探測效果，需要結(jié)合鉆井進行探放水檢測。

2 探放水檢測

由針對三線管理規(guī)定中“警戒線、探水線、積水線”不同范圍內(nèi)的鉆孔設計原則[5]，因水患威脅不同，結(jié)合現(xiàn)場的可操作性和實際經(jīng)濟效果等綜合因素考慮，應分兩種情況進行分別設計。

Ⅰ在警戒線圈定以外區(qū)域，按照掘進鉆探“有掘必探”工作要求，結(jié)合地面、井下物探成果，實行基本鉆探方式。設計鉆孔成扇形布置，按照鉆探有效深度100 m，超前a安全距離控制30 m，幫距控制30 m，允許掘進距離70 m的要求，鉆孔布置5個進行設計，其布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 警戒區(qū)外鉆孔布置結(jié)構(gòu)（m）

在警戒線以內(nèi)、探水線以外的過渡區(qū)域，應按照資料掌握的可靠程度，結(jié)合地面、井下物探成果，針對性的進行鉆孔方案設計，原則上要比警戒區(qū)外設計鉆孔數(shù)多，應按照山西省掘進鉆探“有掘必探”工作要求，實行有針對性的鉆探方式。

設計鉆孔成扇形布置，按照鉆孔有效深度60 m，超前安全距離控制30 m，幫距控制30 m，允許掘進距離30 m的要求，布置9個鉆孔，煤層賦存方向布置5個孔，垂直方向的前進方向正中布置3個孔，左右兩側(cè)各布置2個孔。巷道沿煤層頂板正常掘進時，3個垂直方向鉆孔應探至煤層底板；巷道沿煤層底板正常掘進時，3個垂直方向鉆孔應探至煤層頂板。

若長探鉆孔在鉆探60 m以內(nèi)出現(xiàn)卡鉆、不返水或者見空等情況，需探查清楚采空破壞區(qū)范圍、積水積氣情況，在探查清楚并確保無水害威脅后，按照貫通管理揭露采空破壞區(qū)，其鉆孔布置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 警戒線內(nèi)鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖（m）

為了確保安全性，所有探放水鉆孔在設計中必須安設止水套管，止水套管長度按照預計采空積水水壓、煤巖層厚度、煤巖層抗張強度進行確定，但不得小于6 m。

根據(jù)打鉆驗證的結(jié)果，實際的積水區(qū)域和采用瞬變電磁法的勘探結(jié)果一致，準確的探明了積水區(qū)域的位置，為制定有效的防水方案提供了依據(jù)，根據(jù)實際驗證分析，組合式積水探測技術能夠?qū)⑻綔y精度提升到98.5%，將探測效率提升68.4%，有效的提升了騰暉煤業(yè)井下老空積水探測的效率和精確性，對確保井下綜采作業(yè)安全具有十分重要的意義，目前已經(jīng)在多個礦井進行了推廣應用。

3 結(jié)論

針對煤礦井下2號煤層底板承受奧灰水水壓大，突水危險性高的現(xiàn)狀，提出采用瞬變電磁法勘探+探水鉆孔優(yōu)化布置的方案，對探測原理和實際應用情況進行了分析，根據(jù)實際應用表明：

1）瞬變電磁法是通過向探測區(qū)域發(fā)送脈沖磁場，然后在前一次脈沖磁場間歇期間利用接收裝置觀測二次渦流的方法來實現(xiàn)地質(zhì)條件勘探的。

2）組合式積水探測技術能夠?qū)⑻綔y精度提升到98.5%，將探測效率提升68.4%，有效地提升了騰暉煤業(yè)井下老空積水探測的效率和精確性。