复合勘探技术在煤矿工作面水害防治中的应用.pdf

扫码移动阅读 第 46 卷 第 3 期 2020 年 3 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol . 46 No . 3 Mar .2020 经验交流 文章编号 1671－251X（2020）03－0079－05 DOI 10 . 13272／j . issn . 1671-251x . 2020020031 复合勘探技术在煤矿工作面水害防治中的应用 冀前辉 1 ， 2 ， 郝世俊 2 ， 王程 2 ， 刘卫卫 2 （1 . 煤炭科学研究总院 ，北京 100013 ； 2 . 中煤科工集团西安研究院有限公司 ，陕西 西安 710077） 摘要 现有煤矿工作面水害复合勘探技术大多采用常规回转钻进成孔方法 ， 钻孔数量多 、 工作量大 ， 且施 工过程中钻杆弯曲变形 、 孔内地层变化 、 钻进工艺参数改变等会导致钻孔发生偏斜 ， 从而导致探水决策失误 。 针对该问题 ， 提出一种基于定向钻进的复合勘探技术 ， 并将其应用于某煤矿综采工作面水害探测 。 应用过程 如下 先采用矿井音频电透技术探测工作面低视电阻率异常区 ， 再采用定向钻进技术直接揭露富水区 ， 通过 观测钻孔涌水量和化验钻孔涌水水质 ， 确定异常区存在导水奥灰岩溶陷落柱 ， 并圈定了陷落柱在该工作面内 的延展状态和边界 ； 根据复合勘探结果 ， 指导更改切眼位置 ， 有效消除了工作面开采揭露导水陷落柱导致突 水事故的隐患 。 关键词 矿井突水 ；煤矿水害防治 ；煤矿水害探测 ；复合勘探 ；音频电透 ；定向钻进 ；导水陷落柱 中图分类号 TD745 文献标志码 A 收稿日期 2020-02-20 ； 修回日期 2020-03-06 ； 责任编辑 李明 。 基金项目 国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808200） 。 作者简介 冀前辉（1984 － ） ， 男 ， 河南禹州人 ， 副研究员 ， 硕士 ， 研究方向为矿产普查与勘探 ， E-mail jiqianhui＠ cctegxian . com 。 引用格式 冀前辉 ， 郝世俊 ， 王程 ， 等 . 复合勘探技术在煤矿工作面水害防治中的应用［J］ . 工矿自动化 ， 2020 ， 46（3） 79-83 . JI Qianhui ， HAO Shijun ， WANG Cheng ， et al .Application of comprehensive exploration technology for water-hazard prevention in coal mine working face［J］ . Industry and Mine Automation ， 2020 ， 46（3） 79-83 . Application of comprehensive exploration technology for water-hazard prevention in coal mine working face JI Qianhui 1 ,2 , HAO Shijun 2 , WANG Cheng 2 , LIU Weiwei 2 1 .China Coal Research Institute , Beijing 100013 , China ; 2 .CCTEG Xi＇ an Research Institute , Xi＇ an 710077 , China Abstract Most of existing comprehensive exploration technologies for water-hazard on coal mine working face adopt conventional rotary drilling with lots of boreholes and heavy workload . In addition , blending deation of drill pipes , geological condition variation in boreholes and alterations of drilling parameters during construction process would lead to borehole deflection , which may cause wrong decision about water-hazard exploration . For above problems , a comprehensive exploration technology based on directional drilling was proposed and applied to water-hazard detection on fully mechanized mining face of a coal mine . The application process is as follows Firstly , mine audio-frequency electric penetration technology is used in the comprehensive exploration technology to detect anomalous area with low apparent resistivity on the working face , and then directional drilling technology is adopted to directly expose water-rich zone . It is determined that there is a water-conductive collapse column of Ordovician limestone karst in the anomalous area through observing water gushing in the boreholes and chemically examine quality of the water . Meanwhile , extension state and boundary of the water-conductive collapse column in the working face are delineated . Position o-off cut is redesigned accordingto 万方数据 comprehensive exploration results , so as to effectively eliminate hidden water-inrush danger caused by exposing the water-conductive collapse column during mining process . Key words mine water-inrush ; water-hazard prevention of coal mine ; water-hazard detection of coal mine ; comprehensive exploration ; audio-frequencyelectric penetration ; directional drilling ; water- conductive collapse column 0 引言 煤矿水害成因主要包括顶板破碎或裂隙发育与 河湖底或强含水层连通 、 采空区严重积水 、 断层或断 裂带与地下水连通 、隔水煤（岩）柱强度不够等 。 煤 矿水害往往造成重大人员伤亡和财产损失 ， 严重威 胁安全生产 ［1-2］ 。 开展开采前水害探测与防治 ， 对保 障工作面安全生产和矿工人身安全至关重要 。 针对 水害威胁严重的矿井 ， 应坚持“预测预报 、 有疑必探 、 先探后掘 、 先治后采”的防治水原则 ［3］ ， 采用复合勘 探技术探查工作面富水性异常区 ， 即先利用物探技 术及装备对采煤工作面和掘进工作面前方地质条件 进行综合勘探和评价 ， 划分出影响开采的各种地质 异常 ， 再以钻探手段针对水害隐蔽致灾因素进行验 证 ， 从而为矿井采掘工程设计提供依据 ［4］ 。 目前应用于煤矿工作面水害探查的复合勘探技 术主要以常规回转钻进成孔方法为钻探手段 ， 例如 李璐 ［5］采用地面瞬变电磁法在金辛达煤业有限公司 11102 工作面探查出异常区后 ， 设计了 18 个深度为 120 ～ 152 m 的常规钻孔进行验证 ； 侯俊华等 ［6］在东 滩煤矿 14317 工作面开展矿井物探后 ， 设计了 14 个 深度小于 115 m 的常规钻孔进行验证 。 该方法需 要施工的钻孔数量多 、 工作量大 ， 且施工过程中钻杆 弯曲变形 、 孔内地层变化 、 钻进工艺参数改变等会导 致钻孔发生偏斜 ［7］ 。 当偏斜较大时 ， 可能会造成探 水决策失误 ， 从而给巷道掘进或煤层开采带来安全 隐患 。 针对该问题 ， 本文提出一种基于定向钻进的 复合勘探技术 ， 并将其应用于某煤矿工作面水害探 测 ， 从而为工作面水害防治提供依据 。 1 复合勘探技术 基于定向钻进的复合勘探技术综合应用矿井物 探和定向钻进技术 ， 先采用物探技术进行区域探查 ， 圈出异常区 ， 再施工精确定向钻孔进行验证 ， 具有探 测精度高 、 工程量少 、 综合成本低等优点 。 1 . 1 矿井物探技术 矿井物探技术具有覆盖区域广 、 综合成本低等 特点 。 目前常用的物探技术有地震勘探 、瞬变电磁 探测 、 瑞利波探测 、 音频电透 、 井下微震监测 、 地质雷 达探测等 ［8］ 。 其中矿井音频电透技术具有普适性 强 、 探测仪器轻便灵活 、透视距离大 、 抗干扰能力强 等特点 ， 是工作面内探测异常体的有效手段 ［9］ 。 该 技术基于地下各种岩体之间存在的电性差异影响人 工电场分布形态的原理 ， 对煤层底板的含／导水陷落 柱进行探查 ， 效果较好 ［10-11］ 。 因此 ， 采用矿井音频 电透技术进行物探 。 1 . 2 定向钻进技术 采用煤矿井下定向钻进技术实现钻探 。 该技术 采用孔底马达（以高压冲洗液为传递动力介质）作为 动力钻具 ， 配备随钻测量系统 、中心通缆钻杆 、 泥浆 泵 、 钻头等装备 ， 实时检测钻孔倾角 、 方位角并控制 钻孔轨迹 ， 使钻孔轨迹在目标层位精确延伸 ， 并可实 现分支孔钻进 ［12-13］ ， 具有钻孔精确 、 钻进效率高 、 工 程量少 、 综合成本低等优点 ， 广泛用于煤矿井下瓦斯 抽采 、 地质异常体探测等领域 ［14-15］ 。 煤矿井下定向 钻进系统组成如图 1 所示 。 图 1 煤矿井下定向钻进系统组成 Fig . 1 Composition of directional drilling system in coal mine underground 2 现场应用 2 . 1 矿井水文地质条件 某煤矿位于内蒙古自治区准格尔旗 ， 井田总构 造为具有波状起伏的近南北走向 ， 其主采煤层 6 煤 底板下为强富水的奥灰含水层 ， 奥灰水位标高为 ＋ 868 . 8 ～ ＋ 872 . 7 m ， 工作面煤层底板距奥灰含水 层顶界面约 55 m ， 煤层底板隔水层承受奥灰水压力 1 . 2 MPa ， 突水系数小于临界值（0 . 06 MPa／m）。 底 板隔水层厚度大 、 突水系数低 ， 在煤层底板完整的情 况下 ， 可以安全带压开采 。 但在工作面采动影响范 围内发育有导水断层或导水岩溶陷落柱时 ， 存在奥 灰水以断层 、 陷落柱为导水通道突入矿井造成事故 的风险 ， 对煤层开采形成严重威胁 ［16-17］ 。 08工矿自动化第 46 卷 万方数据 2 . 2 施工组织 基于矿井音频电透技术对工作面底板下岩层富 水性进行探查时 ， 采用单极－偶极的施工装置 ， 发射 极距和接收极距分别设定为 50 ， 10 m 。 双巷道共布 置 44 个不对称发射点 ， 每个发射点对应 15 ～ 25 个 接收点 ， 通过音频电穿透仪采集 4 140 个数据 。 采用定向钻进技术在工作面施工 12 个主孔 、 8 个分支孔 ， 如图 2 所示 ， 从而探查工作面切眼附近 6 煤底板下 35 ～ 40 m 段隔水层范围内的构造发育 及水文地质情况 ， 并对探查区进行注浆加固 ， 封堵导 水通道 。 定向钻进装备见表 1 。 图 2 工作面定向钻孔布置 Fig . 2 Distribution of directional boreholes on working face 表 1 定向钻进装备 Table 1 Directional drilling devices 名称型号 定向钻机ZDY6000LD（B） 中心通缆钻杆φ73 mm 随钻测量系统YHD2－1000T（A） 孔底马达φ73 mm 钻头φ98 mm ， φ98／153 mm 泥浆泵3NB－320b 钻孔设计三级孔身结构 ， 如图 3 所示 。 一级孔 身用于下入孔口管 ， 安装孔口控水闸阀 ； 二级孔身用 于穿过泥岩 、 9上煤 、9下煤等不稳定地层 ， 保障钻孔 施工安全 ； 三级孔身为定向孔段 ， 钻孔弯曲按设计轨 迹钻进 ， 对富水性异常区进行探查 。 图 3 钻孔结构 Fig . 3 Borehole structure 2 . 3 勘探结果与分析 矿井音频电透三维反演成像结果如图 4 所示 。 经分析可发现在切眼附近存在一个明显的低视电阻 率（低阻）异常区 ， 大小为 95 m 45 m ， 工作面内发 育范围为现有切眼位置向东 80 m 、回风巷向南 110 m ， 且该区域在底板下 0 ～ 80 m 范围内均有发 育 ， 为垂向联通的低阻异常区 。 图 4 矿井音频电透三维反演成像结果 Fig . 4 3D inversion imaging result of mine audio-frequency electric penetration 在回风巷 9 号钻场内向底板低阻异常区施工 3 个定向探查钻孔 D1 ， D1－1 ， D2 进行勘探验证 ， 如 图 5 所示 。 钻孔水平段垂深距 6 煤底板 35 m ， 水平 间距为 40 m 。 施工过程中观测钻孔涌水量 ， 并取水 样进行水质化验 。 定向探查钻孔涌水量曲线如图 6 所示 。 可看出钻孔施工未进入低阻异常区时 ， D1 ， D1－1 ， D2 孔的涌水量均小于 10 m 3 ／h ； 钻孔进入低 阻异常区后 ， 涌水量出现不同程度的增加 ， 3 个钻孔 的终孔涌水量分别达 60 ， 68 ， 51 m 3 ／h 。 图 5 定向探查钻孔平面轨迹 Fig . 5 Plane trajectories of directional detecting boreholes 图 6 定向探查钻孔涌水量曲线 Fig . 6 Water gushing curves of directional detecting boreholes D1 孔孔深 633 m ， 钻孔施工至 474 m 时涌水量 由之前的 6 . 5 m 3 ／h 突变为 25 m 3 ／h ， 施工至 534 m 时突变为 40 m 3 ／h ， 此时出水点位于低阻异常区内 ， 检测水中 Cl － 含量为 268 . 25 mg／L 。 D1－1 孔孔深 606 m ，钻孔施工至 417 m 时涌水量由之前的 10 m 3 ／h突变为 25 m 3 ／h ， 施工至 474 m 时由之前的 30 m 3 ／h 突变为72 m 3 ／h ， 此时出水点距低阻异常区 46 . 5 m ， 检测水中 Cl － 含量为 315 . 58 mg／L 。 D2 孔 孔深 639 m ， 钻孔施工至 492 m 时涌水量由之前的 11 m 3 ／h 突变为35 m 3 ／h ， 此时出水点距低阻异常区 63 m ， 检测水中 Cl － 含量为 492 . 69 mg／L 。 182020 年第 3 期冀前辉等 复合勘探技术在煤矿工作面水害防治中的应用 万方数据 与工作面 6－3 顶板砂岩定向放水孔 （孔深 609 m ， 终孔涌水量为 99 m 3 ／h ， 水中 Cl － 含量为 175 . 54 mg／L）相比 ， 定向探查钻孔水中 Cl － 含量偏 高 。 经过近 5 个月的放水观测 ， 6－3 孔水中 Cl － 含 量最大值为 244 mg／L ， D1－1 孔水中 Cl － 含量缓慢 增长至 514 mg／L（最大值为 589 mg／L） ， D2 孔水中 Cl － 含量缓慢增长至 542 mg／L 。 现场观测发现 ， 9 号钻场放水量超过 120 万 m 3 时 ， 仍未观测到明显 的涌水量衰减 ， 显示钻孔揭露的涌水存在较稳定的 补给源 。 根据工作面垂直向下施工的 qt3 钻孔水中 Cl － 含量（图 7） ， 钻孔进入低阻异常区后 ， 水中 Cl － 含量增大 。 而矿井奥灰水 Cl － 含量较高 、顶板砂岩 水 Cl － 含量较低 ， 因此判断存在奥灰水向低阻异常 区补给 。 图 7 qt3 钻孔水中 Cl － 含量 Fig . 7 Cl － content in water from qt3 borehole 综合分析矿井物探 、 钻探结果 ， 确定低阻异常区 为导水奥灰岩溶陷落柱 ， 并圈定其在工作面中的位 置 ， 如图 8 所示 ， 其中等值线为视电阻率 ， Ω m 。 为 保证工作面安全生产 ， 在进行必要的注浆加固措施 后 ， 重新施工切眼 ， 有效避免了因工作面开采揭露导 水陷落柱可能造成的突水事故 。 图 8 导水奥灰岩溶陷落柱与新开切眼位置 Fig . 8 Locations of water-conductive collapse column of Ordovician limestone karst and new open-off cut 3 结论 （1） 复合勘探技术采用矿井音频电透技术探测 出某矿综采工作面切眼附近存在低阻异常区 ， 采用 定向钻进技术直接揭露工作面富水区 ， 通过观测定 向探查钻孔涌水量并化验钻孔涌水水质 ， 判断低阻 异常区为导水奥灰岩溶陷落柱 ， 并圈定了其在工作 面内的延展状态和边界 。 （2） 根据复合勘探结果 ， 指导更改切眼位置 ， 有 效消除了因工作面开采揭露导水陷落柱导致突水事 故的安全隐患 。 （3） 复合勘探技术综合运用了矿井物探 、定向 钻探和综合化探技术 ， 为实现工作面水害隐患的准 确探查与判定提供了新思路 。 参考文献（References） ［1 ］ 虎维岳 ， 田干 . 我国煤矿水害类型及其防治对策［J］ . 煤炭科学技术 ， 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