煤礦回采工作面頂板疏放水效果評價

孟強華,郝宇軍

（山西晉煤集團 技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006)

1672-5050（2017)05-0061-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.018

2017-07-28

孟強華（1984-),男,山西汾西人,本科,工程師,從事煤礦水害防治研究工作。

煤礦回采工作面頂板疏放水效果評價

孟強華,郝宇軍

（山西晉煤集團 技術研究院有限責任公司,山西 晉城 048006)

資源整合礦井大多數(shù)存在回采工作面上部采空區(qū)范圍不詳、積水量不清的情況,給煤礦安全生產(chǎn)造成了較大的壓力。朝陽煤礦為資源整合礦井,9101工作面為首采工作面,工作面上方存在老空積水及太原組石灰?guī)r巖溶水威脅。采用瞬變電磁探測圈定了工作面上部的富水異常區(qū),對異常區(qū)進行鉆探疏放水,疏放水工程完成后,利用瞬變電磁探測檢驗原富水異常區(qū)的富水性、利用鉆孔測井檢驗鉆孔施工的靶向性、探查目的層位的裂隙發(fā)育及出水情況、利用水質(zhì)化驗分析確定疏放水的水源、利用疏放水量統(tǒng)計分析判定積水是否放完,綜合以上方法對煤礦回采工作面頂板疏放水效果進行了評價,指導了礦井的安全生產(chǎn)。

回采工作面;老空積水;疏放水;瞬變電磁;效果評價

礦井突水是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。目前,我國大部分資源整合礦井存在對整合前資源開采情況不明、采空區(qū)調(diào)查不詳?shù)惹闆r。其中采空區(qū)積水是威脅礦井安全生產(chǎn)的首要隱蔽致災因素[1]。采煤工作面頂板疏放水后,如何對疏放水效果進行評價、有效預防工作面回采時頂板發(fā)生突水事故,成為擺在煤礦安全生產(chǎn)中至關重要的問題。通過朝陽煤業(yè)9101工作面的頂板疏放水工程實例,對采煤工作面頂板疏放水效果評價進行了研究。

1 疏放水設計

1.1礦井瞬變電磁探測

礦井瞬變電磁法是將地面常用的瞬變電磁法應用于煤礦井下,對常規(guī)物探方法較難探測的工作面頂、底板富水構造和巷道迎頭超前富水構造的發(fā)育情況,有非常好的應用效果[2-5]。

利用礦井瞬變電磁探測方法,能夠清晰地解釋礦井所測范圍內(nèi)采空區(qū)積水情況,該方法簡單、儀器輕便、工效高、費用少,是一項可推廣應用的好方法[6]。工作面探放水之前,首先采用礦井瞬變電磁法對工作面頂板水體發(fā)育位置進行探測。采用YCS160瞬變電磁儀進行了探測,在9101工作面進、回風順槽各布置探測測線4條,探測方向為順層0°、頂板30°、頂板60°、頂板90°,每條測線測點距為5 m。探測成果示意圖,見圖1,有8處低阻異常區(qū),圖中橫坐標0 m為工作面順槽巷道開口處,1 150 m為工作面切眼。

圖1 疏放水前瞬變電磁探測成果示意圖Fig.1 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

從瞬變電磁探測結(jié)果結(jié)合地質(zhì)資料分析可以得出,工作面頂板往上20 m及50 m處切片成果圖中的8處低阻異常的預測結(jié)果,如表1所示。

表1 疏放水前瞬變電磁探測結(jié)果Table 1 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

1.2鉆孔設計

根據(jù)礦井瞬變電磁探測結(jié)果中的異常區(qū)范圍,本著鉆孔施工必須見水或見空的原則,對工作面頂板富水異常區(qū)進行鉆孔設計。

在9101工作面兩順槽巷道布置鉆場9個,鉆孔30個,總進尺2 284 m。本次疏放水水頭壓0.6 MPa～0.7 MPa,預計探放水期間,單孔退出鉆桿前最大出水量65 m3/h,單孔退出鉆桿后最大出水量116 m3/h。施工使用設備ZY1250全液壓鉆機,套鉆桿為Φ50 mm×1 500 mm或Φ50 mm×1 000 mm,鉆頭為Φ75 mm三翼復合片鉆頭,終孔直徑為75 mm,開孔擴孔鉆頭孔徑為133 mm。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》要求安設大于10 m長的止水套管,止水套管規(guī)格外徑為108 mm,內(nèi)徑為98 mm,注漿加固后進行耐壓試驗,試驗壓力2.0 MPa,持續(xù)時間不少于一小時。

1.3鉆孔測井

疏放水鉆孔測井采用的是YCJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀,該測井技術適用廣泛,鉆孔孔徑無限制,孔斜方位無限制,不依賴鉆機推送。

井下鉆孔測井技術選用高分辨率視頻、自然伽瑪測井、孔斜測量相結(jié)合的硬件設計,一次完成視頻、自然伽瑪（GR)、孔斜等原始數(shù)據(jù)的采集。通過軟件處理,生成GR曲線、砂泥比曲線;GR與視頻按照同深度進行同步分析判別巖性,繪制鉆孔巖性柱狀、鉆孔巖層結(jié)構（分層巖性、厚度、巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙發(fā)育情況、出水點特征、頂板離層情況及斷層等)、鉆孔孔斜定向剖面、鉆孔孔斜平面,最后以CAD格式導出。

對出水量較小的鉆孔及見空的鉆孔,施工完畢后進行鉆孔測井,繪制鉆孔的實際軌跡結(jié)合視頻和測井結(jié)果判定鉆孔出水層位、裂隙發(fā)育情況、見空層位,為鉆孔的施工及放水提供依據(jù)。出水量較大的鉆孔等待水量衰減后,再進行鉆孔測井。

2 疏放水效果評價

朝陽煤業(yè)于2016年10月24日在9101工作面膠帶巷8#鉆場開始施工,然后按設計搬家施工了其它鉆場的鉆孔,于2017年3月16日施工完畢。累計施工鉆孔29個,進尺2 203 m,累計放水量13.7萬m3。

2.1瞬變電磁探測成果評價

疏放水工程結(jié)束后,于2017年4月3日對9101工作面進行了瞬變電磁探測。探測設計和使用的儀器與疏放水前一致。瞬變電磁探測結(jié)果,見圖2。

圖2 疏放水后瞬變電磁探測成果圖Fig.2 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

從探測結(jié)果可以明顯看出,經(jīng)過疏放水工程后,原工作面上部的富水異常區(qū)已轉(zhuǎn)變成弱富水區(qū),視電阻率值較探測前的要高。疏放水前各個富水區(qū)的視電阻率在5 Ω·m～20 Ω·m之間,疏放水后該區(qū)域的視電阻率在40 Ω·m～10 Ω·m之間。

2.2水質(zhì)化驗及放水量統(tǒng)計評價

疏放水工程開始以后,對各個出水鉆孔的水樣進行了水質(zhì)化驗,通過對比水樣數(shù)據(jù)庫及現(xiàn)場施工記錄的出水位置,確定了出水點的水質(zhì)特征。水質(zhì)化驗對比結(jié)果如表2所示。

表2 各出水點水質(zhì)化驗結(jié)果

通過每天對出水鉆孔進行了涌水量觀測,繪制各鉆場鉆孔涌水量隨時間變化情況圖,利用求積法計算出了整個工程的疏放水總量為13.7萬m3。根據(jù)前期調(diào)查計算,該工作面上部小煤窯破壞區(qū)采空積水量約6萬m3,放水量與采空積水量相差7.7萬m3,為工作面頂板石灰?guī)r裂隙水。各鉆場鉆孔涌水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各鉆場出水量統(tǒng)計

2.3鉆孔測井成果評價

頂板疏放水工程施工期間,先后對7個鉆孔進行了測井,其中3個鉆孔有典型老空出水特征,2個鉆孔有K5石灰?guī)r巖溶裂隙水出水特征,1個鉆孔有頂板裂隙發(fā)育的特征,1個無明顯異常的鉆孔。通過對比該工作面附近的地面鉆孔柱狀資料和井下施工無明顯異常的鉆孔測井數(shù)據(jù),得出了該工作面頂板疏放水鉆孔所穿過地層的GR曲線、砂泥比曲線,為異常鉆孔的測井成果提供了可靠依據(jù)。通過測量實際施工鉆孔的軌跡,得出了平面、剖面軌跡圖,對鉆孔的終孔位置有了精準判斷。

3 結(jié)論

1)通過采用瞬變電磁探測、水質(zhì)化驗及疏放水量統(tǒng)計分析、鉆孔測井三種方法對回采工作面頂板疏放水效果進行評價,可以基本確定工作面上部的富水區(qū)經(jīng)過疏放水工程后,已轉(zhuǎn)變?yōu)槿醺凰畢^(qū),消除了工作面回采時頂板水突然潰入的安全威脅。

2)利用瞬變電磁法對水體反映能力強的特點,對頂板老空積水、局部巖溶發(fā)育帶進行探測和評價,不僅提高了水文物探的精度和應用效果,為疏放水鉆孔的合理布置提供了可靠依據(jù),降低了鉆探費用,提高了疏放水效率。

3)通過疏放水前的積水量預計和疏放水量對比,結(jié)合疏放水鉆孔測井成果,可以基本判定上部采空積水及裂隙水是否基本放干。

4)綜合物探、化探、測井及礦井的地質(zhì)資料分析,可以作為一種有效的回采工作面頂板疏放水效果評價手段,為煤礦安全生產(chǎn)提供堅強的地質(zhì)保障。

[1] 馬延君,孟明.瞬變電磁法在礦井水害預測防治中的應用[J].中國新技術新產(chǎn)品, 2013（12):140-141.

[2] 姜國慶,程久龍,王玉和,等.礦井瞬變電磁法探測工作面頂板巖層含水性[J].煤礦安全,2010,41（10):47-50.

[3] 牟義,李文,黎靈,等.礦井瞬變電磁法在工作面頂板富水性探測中的應用[J].煤礦安全,2011,42（1):104-107.

[4] 楊振威,李賢慶,凌標燦,等.瞬變電磁法在探測工作面頂板賦水性中的應用[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22（1):62-66.

YANG Zhenwei,LI Xianqing,LING Biaocan,etal.Application of TEM Method in Working Face Roof Aquosity Prospecting[J].Coal Geology of China,2010,22（1):62-66.

[5] 姜博洋.瞬變電磁技術探測工作面上覆采空區(qū)積水[J].科技信息（學術研究),2008（36):636-637.

[6] 楊庚宇.中國煤礦防治水理論與技術進展[C].北京:煤炭工業(yè)出版社,2011.

EffectEvaluationofRoofDrainageWaterofCavingFaceinMines

MENGQianghua,HAOYujun

（InstituteofTechnologyResearch,ShanxiJinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In resource integration coal mines, many problems have caused huge stress for the safe production in mines, including vague range of upper gob and unknown water accumulation. Zhaoyang Mine, as a resource integration mine, takes No.9101 working face as its first mining face threatened by the stored water in the upper gob and limestone karst water of Taiyuan formation. Transient electromagnetic exploration was used to determine water-rich anomalies, and then water was drained. After the water drainage, the transient electromagnetic exploration was then used to detect the water richness of the original water-rich anomalies; borehole logging was used to detect the targeting ability as well as the fracture development and water situation of the target level; water quality analysis was used to determine the water source; statistical analysis on the drainage water quantity was used to determine whether the water drainage was finished. Synthesizing the above methods, the water drainage effect was evaluated, which could provide guidance for the safe production in the mines.

caving face; stored water in gob; drainage water; transient electromagnetic method; effect evaluation

TD743

A

（編輯:楊 鵬)