井下老空积水探测技术方案的应用研究

2022-01-24杨红刚

山西冶金 2021年5期

杨红刚

（霍州煤电集团晋南煤业有限公司，山西河津 043300）

腾晖煤业三采区范围内存在11处采空区，其中4处采空区内存在积水。区域内原各小煤窑采空区多有连通，受井田西低东高的单斜构造影响，周边采空积水向井田中部采空区形成补给。三采区采掘活动范围大部分在采空区域内，在施工过程中需要揭露采空区，形成采空区积水突水威胁，且在有隐伏导水构造横向沟通积水区与三采区井巷工程时，则会发生严重的采空积水突水事故。因此需要对井下采空区进行专门的地质勘探，确定积水区域范围和积水程度。目前常规的物探方案勘探效率低，精确性差[1]，难以满足井下快速勘探需求，严重影响了井下的综采安全性。

本文结合腾晖煤业井下的实际情况，提出了一种新的瞬变电磁法勘探+探水钻孔优化布置的方案，实现了对井下积水区域的快速探测和精确判断，据实际应用表明该组合式积水探测技术能够将探测精度提升到98.5%，将探测效率提升68.4%，显著提升了井下老空水区域探测的精确性和可靠性。

1 瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法是通过向探测区域发送脉冲磁场，然后在前一次脉冲磁场间歇期间利用接收装置观测二次涡流的方法来实现地质条件勘探的[2]。不同的地质结构产生了二次涡流衰减情况不一致，金属矿体、含水区域内产生的二次涡流衰减比较慢，而其他区域产生的二次场衰减则比较快，不同距离处的二次场衰减情况也有明显的区别，因通过对测得的二次场衰减趋势的分析，即可确定探测区域内的地质情况，瞬变电磁法探测的基本原理如图1所示[3]。

图1 瞬变电磁法原理图

根据井下的实际地质情况，为了提升探测效率和精确性，决定采用瞬变电磁法的方案对工作面迎头100 m范围内进行探测，探测时选用YCS512型瞬变电磁仪，其具有探测精度高、抗干扰性强、稳定性好的优点。探测后利用专业的转换软件对其进行数据转换处理，然后利用Sufer软件[4]进行编辑，便于显示各个探测区域的地质情况，其在勘探前方+10°、0°、-10°，不同区域的探测结果如图2所示，颜色越深表示积水越严重。

图2 瞬变电磁法探测效果示意图

由实际探测结果可知，井下积水区域主要集中在巷道左侧约40～50 m区域及左侧45°轴线方向上，存在着较大的积水赋存区，为了进一步验证瞬变电磁法的探测效果，需要结合钻井进行探放水检测。

2 探放水检测

由针对三线管理规定中“警戒线、探水线、积水线”不同范围内的钻孔设计原则[5]，因水患威胁不同，结合现场的可操作性和实际经济效果等综合因素考虑，应分两种情况进行分别设计。

Ⅰ在警戒线圈定以外区域，按照掘进钻探“有掘必探”工作要求，结合地面、井下物探成果，实行基本钻探方式。设计钻孔成扇形布置，按照钻探有效深度100 m，超前a安全距离控制30 m，帮距控制30 m，允许掘进距离70 m的要求，钻孔布置5个进行设计，其布置结构如图3所示。

图3 警戒区外钻孔布置结构（m）

在警戒线以内、探水线以外的过渡区域，应按照资料掌握的可靠程度，结合地面、井下物探成果，针对性的进行钻孔方案设计，原则上要比警戒区外设计钻孔数多，应按照山西省掘进钻探“有掘必探”工作要求，实行有针对性的钻探方式。

设计钻孔成扇形布置，按照钻孔有效深度60 m，超前安全距离控制30 m，帮距控制30 m，允许掘进距离30 m的要求，布置9个钻孔，煤层赋存方向布置5个孔，垂直方向的前进方向正中布置3个孔，左右两侧各布置2个孔。巷道沿煤层顶板正常掘进时，3个垂直方向钻孔应探至煤层底板；巷道沿煤层底板正常掘进时，3个垂直方向钻孔应探至煤层顶板。

若长探钻孔在钻探60 m以内出现卡钻、不返水或者见空等情况，需探查清楚采空破坏区范围、积水积气情况，在探查清楚并确保无水害威胁后，按照贯通管理揭露采空破坏区，其钻孔布置结构如图4所示。

图4 警戒线内钻孔布置结构示意图（m）

为了确保安全性，所有探放水钻孔在设计中必须安设止水套管，止水套管长度按照预计采空积水水压、煤岩层厚度、煤岩层抗张强度进行确定，但不得小于6 m。

根据打钻验证的结果，实际的积水区域和采用瞬变电磁法的勘探结果一致，准确的探明了积水区域的位置，为制定有效的防水方案提供了依据，根据实际验证分析，组合式积水探测技术能够将探测精度提升到98.5%，将探测效率提升68.4%，有效的提升了腾晖煤业井下老空积水探测的效率和精确性，对确保井下综采作业安全具有十分重要的意义，目前已经在多个矿井进行了推广应用。