带压掘进工作面超前物探探测技术的应用.pdf

16 带压掘进工作面超前物探探测技术的应用 董华东 （神华神东煤炭集团，内蒙古 鄂尔多斯 017209） 摘要保德煤矿开采的 8煤层位于奥陶纪含水层上，正常无突水危险，但当揭露断层、陷落柱或其他导水构造时有 可能发生突水。 为保证带压掘进工作面的安全， 在81311胶运5联巷探测中， 用物探方法得出异常区分别为迎头前方25-41m 处， 54-56m 处及 90-100m 处。 钻孔探测显示 81311 胶运 5 联巷前方 25m-50m 范围可能发育有断层或裂隙带。 在 81311 胶运 5-6 联巷的掘进过程中，81311 胶运在迎头前方 31m 处揭露，81312 辅运在迎头前方 40m 处揭露发育有两条小断层， 淋水加大，证明了带压掘进工作面超前物探探测技术可以取得较好的效果。 关键词超前探测；物探；钻孔验证；奥灰水；带压掘进工作面 中图分类号TD82文献标志码A文章编号1008-0155（2019）17-0016-03 保德煤矿正在掘进的 81311 胶运、81312 辅运顺槽工作 面底板标高为545～686m，奥灰水平均潜水位为 839m，8 煤至奥灰岩顶界面隔水层厚度为 110m，计算突水系数为 0.033～0.036Mpa/m，属于带压掘进。一旦有断层或者裂隙 带导通奥灰水，发生突水事故，轻则冲毁设备，造成工作面 被压，重则发生淹井事故，造成重大的人员伤亡。根据煤 矿安全规程 煤矿防治水规定 山西省人民政府办公厅转 发省煤炭厅关于进一步加强煤矿防治水工作若干规定的通 知 （晋政办发【2011】70 号）文件精神，同时结合本矿防 治水工作实际， 严格执行 “预测预报， 有疑必探， 先探后掘， 先治后采”方针，采取物探加钻探相结合的方式，进行超前 探测工作 [1-2]。 1 工程概况 81311 胶运、81312 辅运顺槽位于井田南部区，工作面 所掘煤层为二叠纪煤层， 煤层总体近南北走向， 为一宽缓向 西倾斜的单斜构造；煤层倾角为 3 。～5。 ，平均 4 。左右。巷 道开口段煤层厚度 10.8m， 中部最薄为 6.8m， 掘进巷道南部 7.9m，煤层结构较为复杂，稳定夹矸 3 层，似层状夹矸 4-5 层，单层夹矸最大厚度为 1.05m。 地层中含水层为三层， 分别为新生界松散岩类孔隙含水 层、 石炭二叠系基岩裂隙含水层、 中奥陶统碳酸盐岩岩溶含 水层。 主要含水层为中奥陶统碳酸盐岩含水层， 其位于天桥 岩溶泉域的迳流排泄区。奥灰水平均潜水位为 839m，其埋 藏深度 0～493.21m，在本区东部和东南部地表出露。根据 钻孔探测，涌水量 q 为 0.0513～0.536l/sm，属于为弱- 中等富水性。 由上可知， 本区矿井的主要防治水对象是奥陶 系碳酸盐岩含水层。 8煤底板往下有两层隔水层， 分别为石炭二叠系泥 （页） 岩隔水层和石炭系本溪组铝土泥岩隔水层。 这两层均为较好 的隔水层，两层共有 110m 厚。其中，石炭系本溪组铝土泥 岩为区域性隔水层，岩性为铝土质泥岩或泥岩，厚度在 6.74～52.37m，平均 20.45m，是防止奥灰水上突的直接隔 水层。 理论上不存在直接突水危险， 但不排除局部存在的小断 层大裂隙通过上升通道， 打破隔水层， 将奥陶系碳酸盐岩的 承压水导通至工作面，发生突水事故 [3]。 为保证带压掘进工作面的安全，严格执行“预测预报， 有疑必探，先探后掘，先治后采”的方针，采用双巷掘进， 在每个联巷进行综合探测工作。 2 物理探测方案 瞬变电磁法以岩石的导电性差异为基础， 通过电流感应 来探测工作面超前位置的岩体内的电性变化情况来了解岩 层的内部情况；超前直流法是以岩石的电性差异为基础，采 用全空间电场理论来探测工作面超前位置的电场情况来预 测前方地层变化以及含水构造等的分布发育情况。 这两种方 法对低阻（富水区域）敏感性都强，在工作面的超前探测中 具有一定的互补性 [4-5]。 2.1 物探设备 物探设备为YCS2000 矿用瞬变电磁仪、YD32A高分辨 电法仪。 2.2 物探位置 在掘进 81311 胶运、81312 辅运顺槽时采用交替超前一 段距离（100m 左右）的方式，进行探测。因此，为了保证 掘进区域能够被物探探测完全覆盖，在 81311 胶运顺槽或 81312 辅运顺槽工作面的迎头进行探测工作。 2.3 瞬变电磁法观测方案 超前物理探测的重点在工作面迎头前方 5m 范围内做工 作。巷道进行物探时采用半圆形观测法，布置如图 1 所示， 面向掘进方向时，以左手为左帮，以右手为右帮。 图 1瞬变电磁探测布置示意 2.4 超前直流电法布置 超前勘探前方含水异常常用方法为“三点源法” ，如图 2 所示。在 81311 胶运掘进头附近以一定间距布置供电电极 A1、A2、A3，按图示箭头所示的方向，测量电极 MN 在巷道 内以一定的间隔移动，布置好以后，供电电极、无穷远电极 及仪器均固定不动，测量电极 M、N 根据设计的观测系统由 仪器自动切换。根据地质任务、 勘探的详细程度以及考虑信 噪比的大小，每移动一次测量电极 MN 间隔定为 4m，测量一 次所对应的视电阻率值、供电电流、电位差、桩号、电极距 等数据， 即通过观测点电源场的分布特征达到分析掘进头前 17 方异常分布位置的目的。布置好以后，供电电极、无穷远电 极及仪器均固定不动，测量电极 M、N 根据设计的观测系统 由仪器自动切换 [6-8]。 B A3A2 A1 MN 8 测量电极移动方向 巷道 掘进头 图 2三极超前探测施工布置图 图 3瞬变电磁超前探测成果图 图 4直流电法超前探测 探测结果图如图 3、图 4 所示，图中相对富水区为蓝绿 色区域，即低阻区，弱富水区或不富水区用砖红色表示，即 相对高阻区，其它颜色表示过渡区。 从图上可以看出； ①本次瞬变电磁超前探测预报迎头前方 20～100m 范围 内，①号异常位于顺层、底板前方 25-40m 处，②号异常位 于顺层、底板前方 90-100m 处。 ②本次直流电法超前探测中， 发现 2 处低阻异常区（相 对富水区） ；1 号异常位于迎头前方 36-41m 处，2 号异常位 于迎头前方 54-56m 处。 ③综合推断直流电法 1 号异常与瞬变电磁法①号异常 为同一位置的水文地质异常区，即异常区分别为迎头前方 25-41m 处， 位于迎头 54-56m 处及位于迎头前方 90-100m 处。 3 钻探验证 81311 胶运、81312 辅运顺槽双巷掘进，探水位置布置 在 81311 胶运顺槽 5 联巷内工作面迎头方向。探水点设在 5 联巷内，钻孔探测水平最大距离为 130m，超前距 30m，允许 超前掘进距离为 100m。共设计钻孔 4 个，钻孔整体呈扇形 布置，具体为孔 1-孔 4。各个钻孔的开孔位置、方位、俯角 见表 1，具体位置见图 5。探水范围为前方 130m、煤层底板 16m、81311 胶运与 81312 辅运顺槽正帮外 20m。 所有钻孔钻进时正常，但在施工 3探水钻孔（方位角 18449′34″；倾角-7）至 40 米附近，钻进压力突然 减小， 钻孔返水量随之减少。 撤出钻杆观察孔内无涌水下钻 杆至 25m，孔内返水减小，起拔压力增大，无法下入钻杆。 根据物探和钻探成果，预测 81311 胶运 5 联巷前方 25m-50m 范围可能发育有断层或裂隙带。 表 1钻孔位置参数 孔号 开孔 位置 终孔 层位 与煤层夹角 钻孔 方位角 设计孔深 （m） 孔 1 距联巷口 5m 处 8煤底板－742′16001′34″133.51 孔 2 距联巷口 5.8m 处 8煤层017159′34″130.02 孔 3 距联巷口 6.6m 处 8煤底板－718449′34″132.44 孔 4 距联巷口 7.4m 处 8煤层019738′34″140.39 图 5钻孔位置平面布置图 4 掘进实测 在 5-6 联巷的掘进过程中，81311 胶运在迎头前方 31m 处揭露，81312 辅运在迎头前方 40m 处揭露发育有两条小断 层，断距最大为 0.4m，煤层较为破碎，顶板为砂质泥岩， 底板为粉砂岩，顶板淋水增大。 5 结论 ①根据物探和钻探成果，预测 81311 胶运 5 联巷前方 25m-50m 范围可能发育有断层或裂隙带。实际掘进中 81311 胶运在迎头前方 31m 处，81312 辅运在迎头前方 40m 处揭露 18 发育有两条小断层，断距最大为 0.4m，煤层较为破碎，顶 板为砂质泥岩，底板为粉砂岩，顶板淋水增大。 ②物探方法虽然具有施工方便、 成本低， 结果提交快等 诸多优点，但是物探受施工环境影响大并且本身存在多解， 易出现多个靶向。 瞬变电磁超前探测和超前直流电法探测结 合在一起可以较好地解决这个问题 [9]。 ③超前物探预测的异常区基本命中靶向区， 与实际的水 文地质情况基本符合， 但靶向区较多， 测量时需尽量避免测 量地点有带电设备及其大的金属设备作业 [10]。 ④物理探测和钻孔探测结合起来， 由物探提供靶区，再 经钻探验证就大大提高了精准度， 基本可以保证巷道安全的 掘进 [11]。 参考文献 [1]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程[M],北京煤炭工业出版社,2016. [2]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局. 煤矿防治水规定[M],北京煤炭工业出版社,2009. [3]岳建华,刘树才.矿井直流电法勘探[M].北京中国 矿业大学出版社,2000. [4]闫文超等.矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的试验应 用[J].煤矿安全,20180692-98. [5]杨增林,杜平,郭子鹏.煤矿井下掘进工作面超前物 探效果分析[J].煤炭科学技术,2015S2162-165. [6]韩德品等.超前探测灾害性含导水地质构造的直流 电法[J].煤炭学报,2010,3504635-639. [7]王丛山,张旭,杜习成.矿用本安型瞬变电磁仪在矿 井超前探的应用[J].山东煤炭科技,201702152-154. [8]李艳梅.直流激电测深法在石灰岩区找水的应用[J]. 东北水利水电,20120231-32. [9]王有宇.煤矿井下瞬变电磁探测影响因素及应对措 施[J].山东煤炭科技,201709149-150. [10]郭子鹏.物探技术在矿井防治水中的应用[J].煤炭 科学技术,2016S2184-188. [11]代凤强.超前探测技术在呼吉尔特矿区的应用及仪 器选用[J].煤炭技术,2015,340592-95. 作者简介 董华东1988-，男，山西忻州市人，研究生学历，工 程师，主要从事采掘技术工作。 （上接 15 页） 4 结语 本文分析总结了在三软煤层中，U 型棚支护巷道的交岔 点，根据实际情况选用的不同支护方式来确保安全生产需 要。 在压力不明显或新掘巷道服务时间较短的煤巷道交岔点 选用简单、省时、省力、省材料的有效支护，及减少了人工 的投入， 从而降低生产成本； 在压力较明显或新掘巷道服务 时间较长煤巷道交岔点选用可靠、 有效地加强支护，大大的 减缓了交岔点支护的变形， 减少了维修过程中的人工、物料 的多次投入。 为其他生产条件类似矿井提供借鉴， 对当前煤 炭经济形势下进一步走改革创新的道路有着重要的意义。 参考文献 [1]孟宪锐,徐水勇,刘环宇.难采煤层的分类标准与定 量化研究[J].煤炭学报,200004348-351. [2]刘建军,乔元栋.煤巷交叉点钢架支护技术在同家梁 矿的研究与应用[J].山西大同大学报（自然科学版）2013 0165-69. [3]秦永洋,殷世荣，张贵.U 型钢交岔点支护在采区中 的创新设计[A].矿山建设工程新进展2007 全国矿山建 设学术会议文集[C].2007. [4]李召志,段乐乐,谢军峰. “三软” 煤层煤巷交岔点支 护技术[J].中国科技博览,201332391. 作者简介 闫红卫1987-，男，河南南阳人，大专，助理工程师， 从事煤矿技术管理工作。