老煤窯采空影響區(qū)掘進(jìn)巷道超前探放水技術(shù)研究

康鵬飛，郭亞騰，裴 惠

(山西靈石銀源興慶煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300)

水害是制約礦井生產(chǎn)的不利因素之一，老煤窯積水則是導(dǎo)致礦井出現(xiàn)突水事故的主要原因之一，對(duì)老煤窯積水區(qū)進(jìn)行超前探測(cè)并針對(duì)性對(duì)積水進(jìn)行疏排，對(duì)提高礦井生產(chǎn)安全保障能力具有顯著的促進(jìn)意義[1-4]。超前探放水是礦井防治水工作開(kāi)展的主要技術(shù)措施，對(duì)提高生產(chǎn)安全保障能力具有顯著的促進(jìn)意義[5-6]。通過(guò)增加探測(cè)鉆孔長(zhǎng)度以及布置密度等可實(shí)現(xiàn)富水區(qū)、采空區(qū)積水區(qū)探測(cè)，但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中存在探測(cè)針對(duì)性不強(qiáng)、成本高以及施工耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題[7-8]。山西某礦1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間會(huì)通過(guò)上覆小煤窯開(kāi)采破壞區(qū)，受到小煤窯關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)資料遺失等多因素影響，小煤窯破壞區(qū)范圍以及積水區(qū)范圍等不確定，巷道掘進(jìn)面臨一定的涌水風(fēng)險(xiǎn)。為此，文中以1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，提出通過(guò)物探方式大致確定老煤窯采空區(qū)積水區(qū)范圍，后通過(guò)鉆探進(jìn)行探測(cè)以及超前疏排，降低老煤窯采空區(qū)積水影響并確保后續(xù)掘進(jìn)安全。

1 工程概況

山西某礦為資源整合礦井，井田內(nèi)開(kāi)采煤層包括有2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、13號(hào)等，層間距分別為53 m、25 m、78 m、126 m、101 m，井田煤層賦存穩(wěn)定、儲(chǔ)量豐富，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。淺部的2號(hào)、3號(hào)及5號(hào)煤層受小煤窯開(kāi)采破壞影響明顯，且開(kāi)采破壞區(qū)區(qū)域分布范圍不詳細(xì)。2號(hào)煤層及3號(hào)煤層資源已回采殆盡，現(xiàn)生產(chǎn)主要集中在5號(hào)及9號(hào)煤層。

1502運(yùn)輸巷沿著開(kāi)采的5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，5號(hào)煤層埋深深度均值為305 m，厚度3.2 m，賦存穩(wěn)定、全區(qū)可采。1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)可能存在有老煤窯采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)可能存在有積水，給巷道掘進(jìn)帶來(lái)一定威脅。具體大致確定的1502運(yùn)輸巷與老煤窯采空區(qū)位置關(guān)系如圖1所示。為避免1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間誤揭老煤窯采空區(qū)或者避免老煤窯采空區(qū)內(nèi)積水向巷道掘進(jìn)空間大量涌出問(wèn)題出現(xiàn)，需要對(duì)掘進(jìn)巷道前方進(jìn)行針對(duì)性探測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)安全。為此，文中就采用瞬變電磁法對(duì)掘進(jìn)前方潛在的富水區(qū)進(jìn)行探測(cè)，后通過(guò)超前探測(cè)方式進(jìn)行鉆探及疏排水，通過(guò)物探為鉆探提供指導(dǎo)，以便更好地服務(wù)巷道掘進(jìn)工作。

圖1 1502運(yùn)輸巷與老煤窯采空區(qū)位置關(guān)系示意

2 超前探測(cè)技術(shù)

2.1 正常探測(cè)

1502運(yùn)輸巷正常掘進(jìn)期間在掘進(jìn)迎頭布置7個(gè)探測(cè)鉆孔，孔深均為70 m，鉆孔施工用KHYD-75鉆機(jī)，鉆孔布置呈扇形。探測(cè)鉆孔中1～4號(hào)鉆孔開(kāi)孔均與巷道頂板間距為1 500 mm，鉆孔開(kāi)孔間距均為800 mm，鉆孔仰角統(tǒng)一為12°，水平角分別為-13°、0°、0°、13° ；5號(hào)～7號(hào)鉆孔開(kāi)孔與頂板間距為2 000 mm，鉆孔仰角均為0°，水平角分別為-8°、0°及8°.超前探測(cè)鉆孔施工完成并確保探測(cè)區(qū)域正常時(shí)，允許巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度為40 m并預(yù)留30 m保護(hù)距離。具體超前探測(cè)鉆孔布置如圖2所示。

圖2 探測(cè)鉆孔布置圖(mm)

2.2 靠近老煤窯影響區(qū)探測(cè)

2.2.1 瞬變電磁探測(cè)

瞬變電磁接地線圈或者不接地回線向探測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)送脈沖電流，通過(guò)激勵(lì)探測(cè)目標(biāo)體內(nèi)感應(yīng)二次電磁場(chǎng)，并在脈沖間歇期間采用接地電極或者線圈觀測(cè)二次場(chǎng)隨時(shí)間響應(yīng)情況。在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，給發(fā)射線框提供直流電并迅速切斷供電，線框內(nèi)電流出現(xiàn)突變從而在線框附近形成一次脈沖磁場(chǎng)；該一次脈沖磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生渦流場(chǎng)，渦流場(chǎng)衰變又會(huì)產(chǎn)生衰變的二次磁場(chǎng)并隨著時(shí)間推移逐漸向外部擴(kuò)散。富水水體以及富水異常體往往具備有低電阻特性，而低電阻區(qū)時(shí)引起衰減較慢且場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的二次渦流場(chǎng)，含水性較少的高電阻區(qū)會(huì)產(chǎn)生衰減較快且場(chǎng)強(qiáng)較弱的二次渦流場(chǎng)[9-10]。瞬變電磁在煤礦井下富水區(qū)探測(cè)中廣泛應(yīng)用。

由于老煤窯開(kāi)采資料大部分已遺失，難以精準(zhǔn)地確定老煤窯采空區(qū)范圍以及采空區(qū)內(nèi)積水區(qū)位置，因此需要采用合理的技術(shù)措施確定積水區(qū)范圍，以便后續(xù)超前探放水工作開(kāi)展更趨針對(duì)性并指導(dǎo)巷道掘進(jìn)工作。對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)老煤窯采空區(qū)處于5號(hào)煤層，在1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)并對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行解釋，具體成果如圖3所示。從探測(cè)結(jié)果看出，在1502運(yùn)輸巷左幫側(cè)前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置處存在有低阻異常區(qū)，該異常區(qū)分布位置與老窯采空區(qū)大致位置接近，應(yīng)為后續(xù)探測(cè)重點(diǎn)區(qū)域。

圖3 瞬變電磁勘探成果圖

2.2.2 超前鉆探

對(duì)瞬變電磁探測(cè)圈定的異常區(qū)采用超前鉆探方式進(jìn)行驗(yàn)證，具體確定的低阻異常區(qū)范圍主要在靠近老煤窯采空區(qū)且標(biāo)高較低位置，同時(shí)異常區(qū)部分位于掌握的老煤窯采空區(qū)邊緣位置。在布置超前鉆探鉆孔時(shí)，應(yīng)對(duì)確定的異常區(qū)進(jìn)行針對(duì)性探測(cè)。物探確定異常區(qū)位于1502運(yùn)輸巷左幫側(cè)前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置，為確保巷道掘進(jìn)以及鉆孔鉆進(jìn)安全在距離圈定的異常區(qū)80 m位置，布置鉆場(chǎng)并在鉆場(chǎng)內(nèi)布置9個(gè)探測(cè)鉆孔對(duì)圈定的低阻異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，具體成果如圖4所示。

圖4 采空區(qū)探放水鉆孔布置示意

鉆孔封孔質(zhì)量會(huì)直接影響探放水鉆孔疏排水效果，為確保探放水鉆孔可靠運(yùn)行在孔口處安裝孔口管并進(jìn)行封孔，封孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5具體采用封孔技術(shù)措施為：

圖5 封孔結(jié)構(gòu)示意(mm)

1) 探放水鉆孔封孔深度均為11 m，鉆孔鉆進(jìn)11 m后，更換大直徑鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔確保擴(kuò)孔后鉆孔孔徑達(dá)到130 mm，并清理干凈擴(kuò)孔段煤屑。

2) 鉆孔擴(kuò)孔后，安裝封孔器并在孔口管與鉆孔壁間的環(huán)形空間內(nèi)安裝注漿軟管(孔徑18 mm)，軟管一端處于環(huán)形空間內(nèi)，一端與注漿泵(型號(hào)ZBQ-27/1.5)連接，注漿材料選用XZFKL-I封孔材料(具備粘結(jié)效果好、凝固速度快以及滲透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn))。

3) 鉆孔完成封孔2 h后，對(duì)封孔段注入2 MPa清水進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓時(shí)間保持30 min，期間不出現(xiàn)孔口竄動(dòng)、煤壁滲水為合格。

2.2.3 超前鉆探安全技術(shù)措施

1) 在探放水鉆孔施工位置，需強(qiáng)化鉆場(chǎng)(巷道)煤壁、頂板支護(hù)強(qiáng)度，確保施工點(diǎn)安全。在探放水鉆孔施工前，在距離迎頭30～50 m位置布置水倉(cāng)，在水倉(cāng)內(nèi)布置2套排水設(shè)備(一用一備)，將積水排放至中央水泵房，變巷道內(nèi)積水。

2) 探放水鉆孔施工時(shí)應(yīng)安排專業(yè)技術(shù)人員指揮，鉆孔施工應(yīng)按照設(shè)計(jì)開(kāi)孔位置、方位角、仰角以及孔深等進(jìn)行，依據(jù)探測(cè)結(jié)果合理對(duì)老窯采空區(qū)積水位置以及積水量等進(jìn)行判定。

3) 為確保探放水鉆孔施工安全，在鉆孔開(kāi)孔位置處，布置控制閘閥、孔口管、鉆桿逆止閥以及測(cè)壓三通等附件。在鉆探期間，若發(fā)現(xiàn)鉆孔施工位置出現(xiàn)片幫，鉆孔出現(xiàn)水壓突然增大或者頂鉆等情況時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)且不能回拔出鉆桿，向地面調(diào)度中心及時(shí)匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況。在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)準(zhǔn)確記錄地層資料。

4) 在鉆孔鉆進(jìn)期間，應(yīng)安排瓦檢員按照要求對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，若在探放水期間施工點(diǎn)CO、CH4等出現(xiàn)超標(biāo)時(shí)，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)并將作業(yè)人員回撤至安全點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方存在的老煤窯開(kāi)采采空區(qū)，采空區(qū)分布位置不詳且未能精準(zhǔn)確定積水區(qū)范圍、積水量，給巷道掘進(jìn)安全帶來(lái)一定威脅。采用瞬變電磁對(duì)掘進(jìn)前方潛在的富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，并使用鉆探方式進(jìn)行驗(yàn)證及超前疏排水，確保巷道掘進(jìn)安全。在1502運(yùn)輸巷掘進(jìn)前方左幫側(cè)前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置圈定有物探異常區(qū)；在距離異常區(qū)80 m處，布置鉆場(chǎng)并通過(guò)超前探測(cè)、疏排方式對(duì)潛在的富水區(qū)進(jìn)行治理。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后探放水鉆孔累積疏排老煤窯采空區(qū)積水約7 650 m3，通過(guò)超前疏排有效減少老煤窯采空區(qū)積水量?，F(xiàn)場(chǎng)施工的疏排水鉆孔作為永久鉆孔施工，可及時(shí)對(duì)老煤窯采空區(qū)積水進(jìn)行疏排，解決采空區(qū)積水給煤炭開(kāi)采影響。