煤矿井下老空防治水方案的应用研究

2020-09-08王永鹏石瑞宏高国强

山西化工 2020年4期

王永鹏，石瑞宏，高国强

(阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西阳泉 045100)

引言

随着煤矿井下开采技术的不断提高，开采的深度不断加大，地质条件愈加复杂，在采掘作业过程中发生透水事故的概率不断的加大。老空水是指已采掘的塌陷区及旧巷内所积存的不流动的“死水”具有积存水压大、涌出速度快、破坏性强的特点，一旦发生老空水透水事故将给煤矿井下采掘作业安全带来极大的隐患。多数煤矿对老空水的防治主要是通过经验对可能出现老空水的位置进行判断，然后利用钻机进行钻进确认，该方案严重依赖于防治水人员的经验，而且探测效率较低、误差大，难以满足井下准确探放老空水的需求。同时由于老空水一般赋存条件较深，利用钻机进行钻进放水时，钻机钻进方向极易出现偏斜，影响钻探放水的效率。因此结合煤矿井下老空水存在条件，本文提出了利用瞬变电磁法的快速探测方案，实现了对井下复杂水文地质条件下的快速、精确探测需求，同时结合钻探技术的发展，提出了一种复合钻头结合扶正纠偏的快速钻探方案。根据实际应用表明新的钻探方案的钻探效率比传统方案提升70%以上，且精确性有了显著提升，新的钻进技术方案将井下钻孔的钻进的一次合格率提升了85%，显著提升了煤矿井下钻探效率，确保了采掘作业的安全。

1 瞬变电磁法测量

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈观测地下介质中引起的二次感应涡流场[1]，根据不同介质反应的二次涡流场情况来对介质特性进行判断，从而确定老空水分布位置的一种方案。在对探测区域进行瞬变探测时，通常会选择圆形、矩形探测线圈布置方案，保证线圈探测方向始终对准老空水的探测区域，在重点探测区，可以采用增加发射密度方案提升探测的准确性，探点间的距离不大于4 m。

由于煤矿井下存在着电缆、铁轨、矿车等金属体，对瞬变电磁法的应用会造成较大的影响，因此在实际应用过程中应首先清除区域内的金属物质，若是电缆则应尽量移位，移位不方便时则需对电缆进线断电处理[2]，避免影响探测的准确性。

为了对瞬变电磁法的应用效果进行判断，以煤矿井下初步判断有老空水的区域设置电磁瞬变探测装置，共分布1组电磁瞬变场，探测场的宽度为80 m，长度为160 m，探测场的电磁发射端垂直于探测区域，探测完成后对探测场进行分析，结果如图1所示。

图1 15108工作面上覆9102瞬变电磁法探测结果示意图

由实际探测结果可知，探测区域110 m范围内无积水存在，横轴110 m～160 m、纵轴21 m～49 m的区域内存在着大量的阴影区域，表明该处可能存在着老空水。瞬变电磁探测后利用钻探测法对其进行了验证，钻探结果与电磁探测结果相符合，表明了电磁瞬变法探测结果的准确性。

2 钻进施工

在煤矿井下钻进过程中，由于不同区域的煤岩的硬度特性不同，而且存在着大量的裂隙发育区，在大深度钻进的过程中，受钻进时的偏心力和岩层物理特性影响，会出现钻孔偏斜的情况，不仅会增加钻进长度、降低钻进行效率，严重还会导致钻孔偏离老空水积聚区域，严重影响钻孔放水的效率和安全性。

为了提升钻进时的精确性，提出了一种复合钻头结合扶正纠偏的快速钻探方案，在传统钻头的基础上增加四翼扶正器[3]，扶正器距离钻头约为110 mm，其结构如图2所示。

图2 扶正器结构示意图

利用钻头处的四个飞翼在钻进过程中和四周的摩擦，阻止钻头的偏位，实现在钻进过程中对钻头受力的合理矫正，确保钻头不出现偏载，同时为了提升钻头钻进时的可靠性，降低钻头磨损，采用了复合钻头方案，使用小钻头对钻进方向进行定向，利用大钻头确保钻进过程中的受力均匀性。

以二景矿为例，井田内大面积基岩出露，局部黄土覆盖，出露地层主要为二叠系上统上石盒子组和下统下石盒子组，山西组在井田东部有零星出露。据钻孔资料结合区域资料，井田内发育的地层自老到新有：奥陶系中统峰峰组(02f)、石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)和第四系中、上更系统(Q2+3)。利用优化后的钻进方案对15108工作面上覆9102老空水钻进放水作业，优化后的方案与优化前方案的对比结果，如图3所示。

由图3可知，1号钻孔采用了优化后的复合钻头结合扶正纠偏的方案，2号钻孔采用了传统的钻进方案，根据实际钻进效果分析可知，当采用优化后的复合钻头结合扶正纠偏的快速钻探方案后，钻进深度80 m时的钻进轨迹的垂直偏移量仅为3 m，水平偏移量仅为4 mm，而当采用传统的钻进方案时，钻进80 m后的钻进轨迹垂直偏移量达到了约20 m，水平偏移量达到了30 mm。由此可知采用优化后的钻进方案后，钻进时的水平偏移量降低了85%，垂直偏移量降低了约86.6%，一次钻进合格率提升了85%以上，显著提升了钻进效率和钻进时的安全性。