“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用_李胜利.pdf

第2期“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用李胜利（国家能源集团神东煤炭集团公司保德煤矿，山西 忻州036600）摘要：本文以保德煤矿8 号煤81202备用回采面回采前的奥灰水超前防范工程实践为例，依据矿井水文地质和采煤面实际情况，进行风险超前分析研判。通过不同物探方法的优缺点分析对比，选择了符合矿井实际的两种物探电法进行设计和施工，同时科学地分析并确定了物探和钻探勘验的深度和范围。使用定向钻机对底板异常区进行规范的钻孔设计和工程施工，并实时化探跟进验证，为安全回采提供了现实依据，也为后续下层煤的回采积累了宝贵的数据资料。该矿多年来带压开采不断完善奥灰水防治技术体系，逐渐形成了超前评价、物探先行、钻探验证、化探跟进“四位一体”的底板奥灰水防治技术理念和管理机制，对其他矿井有一定的借鉴意义。关键词：奥灰水；超前评价；物探先行；钻探验证；化探跟进；四位一体中图分类号：TD823.9文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）02-031-06作者简介：李胜利（1980），男，工程师，现任职于国家能源集团神东煤炭集团公司保德煤矿，主要从事矿井安全生产技术、地质工程灾害防治管理工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：李胜利.“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用 J.能源科技，2023，21（2）：31-36.0引言我国煤矿开采史上曾发生多次奥灰水突水淹井重大事故，所以超前探测采掘面煤体和煤层底板以下的地质构造及富水情况尤为重要。目前主要防治对策是超前物探煤层与奥灰水顶界面的间距，监控底板破坏深度，保持必要的安全距离，超前疏水降压，将水压降至安全水头值以下，围岩注浆等手段1-3。矿井物探方法主要由地震类、直流电法类、电磁法类及其他矿井物探方法构成，测试装备朝着集成化、小型化、智能精准化方向发展，并初步具备随掘随探、动态可视化立体监测等能力4-5。定向钻机是透明地质保障系统构建的重要装备之一，全自动型钻机已经开始工业性推广应用6-9。保德煤矿历经多个回采面的带压开采，在奥灰水的超前预测预防方面不断总结经验。本文以该矿8 号煤81202 备用回采面回采前对底板奥灰水“物探化”工程实践为例，详细阐述了该矿超前评价、物探先行、钻探验证、化探跟进“四位一体”的防治水理念，对其他矿井在奥灰水超前防范和治理上具有一定的参考价值。1工程概况1.1井田构造及煤层赋存和水文地质概况保德煤矿位于河东煤田北部，呈平缓的单斜构造形态，地层产状总体呈走向350，倾向260，倾角39，一般5左右，未见有大型断层、褶皱及陷落柱，不受岩浆岩的影响，地质构造简单。矿井区域地层由老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、新近系、第四系，其中石炭系与二叠系为含煤地层。可采煤层从上到下依次为8 号、10 号、11 号、13 号煤层。矿井属高瓦斯矿井，正在开采的是最上部的8 号煤层，绝大部分处于奥灰水头标高之下，属奥灰水带压开采17。矿井正常涌水量197 m3/h。历年最大涌水量320 m3/h，矿井最大总排水能力1 700 m3/h（含二盘区建设的应急强排水潜水电泵系统）。1.281202工作面基本情况矿井采用“平硐+斜井+立井”综合开拓方式，共分4 个盘区。81202回采面布置在8 号煤二盘区，设计回采长度2 560 m，工作面切眼斜长240 m，平均厚度6.8 m，局部有古河床冲刷带，煤层变薄。采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期管理顶板。矿井奥灰水水头标高+834844 m，平均为+839 m，8 号煤底板距奥灰岩顶面的距离为 90.7158.7 m，平均120 m。实测81202回采面的底板标高为+585629 m，底板低于平均奥灰水水位标高+210254 m，隔水层实际承受压力2.1 MPa2.54 MPa，工作面属带压开采。2奥灰水害超前评价2.1奥灰水害总体评价矿井大气降水及地表水、地下水（新生界松散岩类孔隙含水层石炭系、二叠系基岩裂隙含水层）以及8 号煤采空区积水的充水水源均对矿井开采影响不大，且井田位于岩溶陷落柱不发育区。8 号煤底板距奥灰岩顶面的距离为90.7158.7 m，平均120 m。石炭二叠系泥（页）岩多层分布且稳定，可作为良好的隔水层。其中，石炭系本溪组铝土泥（页）岩平均厚度20 m，为区域性隔水层，是防止奥灰水上突的直接隔水层。2.2突水系数计算与分析根据式（1）计算突水系数：Ts=PM-Cp（1）式中：Ts为突水系数，MPa/m；P为隔水层承受的水压，MPa，取最大值 2.54 MPa；M 为底板隔水层厚度，m，取隔水层最小厚度90 m；Cp为采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度15，取19 m（根据历年采矿最大经验值）。由此可以得出，81202回采面突水系数0.036MPa/m，远小于底板受构造破坏地段突水系数临界值0.06。评估分析：正常条件下，8 号煤可以实现安全带压开采，但不排除个别较大隐伏导水陷落柱或导水断层、裂隙的存在。所以，矿井防治水的重点在于探查隐伏导水构造，防止采掘过程中奥陶系峰峰组和马家沟组的碳酸岩溶水发生突水9，16。3物探工程实践3.1物探深度的评估分析与确定矿井可采煤层从上到下依次为8 号、10 号、11 号、13 号煤层。8 号煤底板距奥灰岩顶面的距离为平均120 m，所以物探的最大深度范围确定为120 m；根据矿井煤层位置关系如图1所示，13 号煤层距离现采的8号煤层底板的层间距平均为60 m，所以重点应监测探查060 m富水情况。为深刻了解13 号煤底板下20 m水文地质情况，物探时再多探测20 m深度。综合评价分析确定：本次物探的最大深度确定0120 m，重点080 m。8 号（平均厚6.8 m）10 号（平均厚1.5 m）11 号（平均厚7.2 m）13 号（平均厚3.7 m）局部可采铝土泥岩20.5 m峰峰组约100 m马家沟组60 m24 m4.5 m30 m120 m图1矿井煤层位置关系3.2物探方法优缺点分析与选择矿井物探主要以电法勘探为主，目前常用的方法有矿井直流电测深法、音频电透视法、矿井瞬变电磁法、无线电透视法和三极超前探等方法2-10。3.2.1巷道顶底板电测深法受其观测方式的制约，不仅测点稀、信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布（弃之不用）。3.2.2瞬变电磁法采用非接触式探测，具有明显方向性，但是在井下测量时体积效应较小（约束角为6090的锥体），且有一定的探测盲区（更适合掘进头物探）。3.2.3音频电透视法浅部勘探精度高，体积效应大，抗干扰能力强，适用于采煤工作面顶底板的富水区域探测11。3.2.4坑道无线电波透视法又称坑透法。适用于地质构造破坏软分层带、直径15 m以上的陷落柱、断距大于1/3煤厚的断层、富含水带等方面探测。本着简单、实用、精准度高的原则，综合分析优缺点，该矿使用 YT120（A）型防爆音频电透视仪和YDT-88型坑透仪器实施物探，两种方法互为验证。根据YT120（A）型音频电透视仪自身设备特点以及物探目的，本次探测选用F=120 Hz（频率越高，探李胜利：“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用32第2期测距离短，但是探测精度越高），主要物探底板080 m深度；选用F=15 Hz（频率越小，探测得越远越深），主要探测80120 m深度12-14，即奥灰岩顶界面附近。3.3物探设计及结论分析3.3.1音频电透视法设计及结论分析音频电透视法的供电点距50 m、接收点距10 m。采集发射点对应前后100 m数据，采用双频点依次测试，探查工作面底板下080 m、80120 m深度段岩层中富水异常区的平面位置、形态及含水性相对强弱情况，如图2所示。NkNINkMI 接收回采工作面供电AiAjAkAI巷道2巷道1AiAj（a）轴向单极偶极法（b）井下电透视测量方式图2音频电透视施工布置音频电透视法工作量（物理点）见表1。表1音频电透视工作量（物理点）检测地点81202备用面81202辅运25781202胶运257检测60总计574在井下施工时，按照技术规范布置发射点和接收范围20，81202工作面底板共发现17 处异常区。对异常区综述如下：81202工作面底板下80 m附近共发现9处异常区，其中4 号、5 号、6 号、8 号异常区幅值相对较强，1 号、2 号、3 号、7 号、9 号异常区幅值相对中等。81202工作面底板下120 m附近共发现8处异常区，其中1 号、2 号、4 号、7 号、8 号异常区幅值相对较强，3 号、5 号、6 号异常区幅值相对中等。分析一：81202工作面8 号煤层底板下120 m附近岩层均为奥灰上部岩层，初步推断上述异常区主要为相应层段的岩层裂隙发育并相对含水所致。分析二：2 个不同深度的异常区相对位置分布相差不大，初步推断与附近岩层富水性和其他构造发育互相影响有关，也可能存在水力联系。3.3.2坑道无线电波透视法设计及成果分析本次坑道无线电波透视法发射点距50 m、接收点距10 m，对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收。探查工作面内煤层中的断层、陷落柱及煤层变薄带的延展范围，见表2。表2无线电波透视工作量（物理点）检测地点81202备用面81202辅运25781202胶运257检测60总计574无线电波透视主要探测成果总结如下：81202工作面内未发现明显相对衰减较强异常区。以上两种物探成果，如图3所示。图381202工作面音频电穿透法与无线电波坑透法物探成果4钻探验证工程实践4.1定向钻孔验证的深度分析与确定音频电穿透法的物探最大深度已达120 m，此深度已经探查至奥灰岩顶界面附近，而目前矿井只在8号煤层中有采掘活动，且81202备用回采面突水系数0.036 MPa/m，远小于底板受构造破坏地段突水系数临界值0.06。作为钻孔验证施工，既要考虑安全生产的绝对必要性，又要考虑经济性。综合研判，本次钻孔只需验证 81202 回采面的安全隔水煤层厚度即可。根据式（1）推导出式（2）：M=PTs+Cp（2）式中：Ts为突水系数，取底板受构造破坏地段突水数临界值0.06；P为隔水层承受的水压，MPa，取最大值2.54 MP；Cp为采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，取19m；M为底板安全隔水层厚度，m。代入式（2）可得，81202回采面的安全隔水煤层厚度M=61 m。即本次钻探验证垂深为61 m。此深度已穿透了可采10号、11号煤层，并延伸至11 号煤底板下约10 m深度。验证钻孔的实施也为后续下层煤开采提供了真实的水文、地质、煤层、瓦斯等信息。4.2钻探验证工程4.2.1定向钻机基本情况采用ZYWL-4000D定向钻机，钻机采用先进的33第2期0501001502002503003504006156055955855755655555455355258 号煤10 号煤11 号煤12 号煤151512881202工作面媒体61 m1081203辅运（e）81202工作面J55 E-E底板验证钻孔剖面0501001502002503003504006156055955855755655555455355258 号煤10 号煤11 号煤12 号煤81202工作面媒体1081203辅运61 m11939330501001502002503003504006156055955855755655555455355258 号煤10 号煤11 号煤12 号煤81202工作面媒体1081203辅运61 m1113835（f）81202工作面J56 F-F底板验证钻孔剖面（g）81202工作面J57 G-G底板验证钻孔剖面6156055955855755655555455355258 号煤10 号煤11 号煤12 号煤050100150200250300350400122422881202工作面媒体61 m1081203辅运6055955855755655555455355255158 号煤10 号煤11 号煤12 号煤169371705010015020025030035040045050055081202胶运81202工作面媒体1061 m（a）81202工作面J55 A-A底板验证钻孔剖面（b）81202工作面J52 B-B底板验证钻孔剖面（c）81202工作面J53 C-C底板验证钻孔剖面（d）81202工作面J54 D-D底板验证钻孔剖面05010015020025030035040061560559558557556555554553552581202胶运81202工作面媒体1061 m8 号煤10 号煤11 号煤12 号煤9950486156055955855755655555455355250501001502002503003504008 号煤10 号煤11 号煤12 号煤123452681202工作面媒体81203辅运61 m10图581202工作面物探异常区验证钻孔剖面负载敏感系统和先导比例控制系统，能精确控制给进速度和旋转速度。ZSZ1500有线随钻测量系统采用探管孔外供电技术。ZSZ2000泥浆随钻测量系统可实现无线传输。采用无磁钢防粘扣技术有效解决松软或破碎煤层卡钻埋钻问题18-19。4.2.2钻孔设计根据工程目的，在上述的物探异常区域布置验证钻孔7 个，从不同的角度和位置开钻，覆盖了所有不同深度的异常区域。孔号分别为编号J51J57，并依次施工钻进。钻孔采用II类二级导线点14 个，定测钻孔7 次，总钻进2 367 m，如图4所示。81201胶运顺槽81202辅运顺槽81202工作面81202胶运顺槽81203辅运顺槽图例图481202工作面物探异常区验证钻孔平面布置各个钻孔按照设计要求分别布置在81203辅运和 81202 胶运顺槽联巷内，孔口距底板 2.0 m，按照-10向底板钻进，见表3。81202工作面物探异常区验证钻孔剖面如图5所示。李胜利：“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用钻孔编号J51J52J53J54J55J56J57合计位置81202胶运9L81202胶运9L81203辅运14L81203辅运17L81203辅运20L81203辅运25L81203辅运35L坐标X510473.8329510473.8329517352.8957517679.1174517582.2972511965.8744518910.4072Y4305645.43274305645.67074307637.03484307679.30754307814.90214305795.99584307977.2023开孔方位角/160120150145165160152开孔倾角/-10-10-10-10-10-10-10终孔垂深/m-61-61-61-61-61-61-61孔深/m4412613842612943843422 367表3J51J57定向钻孔位置及主要参数4.2.3钻孔开口处封孔设计开口封孔设计：开孔使用94 mm钻头，按照-10向底板钻进16.5 m后，再用215 mm钻头扩孔，然后下孔口套管16 m（套管采用159 mm铁管，壁厚5.0 mm）。下管完成后，使用水泥液浆注浆固管，固管时间不得小于48 h，管口安装闸阀及压力表和防喷装置。孔口做耐压试验，试验压力稳定在3.9 MPa，时间不小于30 min。耐压试验完成后，使用94 mm钻头按设计方位、角度钻进至设计孔深。施工时编制专项安全技术措施。钻孔开口处封孔如图6所示。孔口闸阀水泥孔壁DN159套管215 mm94 mm钻孔16 m16.5 m16.5 m开孔孔径为 94 mm，孔深 16.5 m，扩孔孔径为 215 mm，孔深16.5 m，下16 mDN159套管，使用水泥固结孔口管。图6钻孔开口处封孔钻孔抽放设计：定向钻机使用专门的孔口抽放装置，具有孔口瓦斯收集、排放、气渣分离等功能。施工34第2期时，孔内钻井液、钻屑与煤层气的混合流体经过抽放装置进行气、水、渣分离并过滤，岩石碎屑粉渣经过气、水分离器排至沉淀蓄水池，气体经管路接入矿井瓦斯抽放系统。全孔封孔设计：探放水钻孔完成探测任务后必须全孔注浆封闭，并做好封孔记录19。采取W/C为1 1水泥浆液进行全程封孔，通过ZBQ80/11泥浆泵，将浆液压入孔内。钻探验证结果：7个钻孔均有不同程度的少量出水现象，未发生承压喷出状况。钻探过程中，时时监控有害气体和及时化验出水水质，判断水源类型，初步判断均为砂岩裂隙水。5化探跟进工程矿井购置了HA-W600型矿井充水水源快速分析仪，数据具有可追溯性，可对测量结果作简单的趋势分析，并形成水文台账。该仪器最快能够在3 h内化验出水样水质类型。将化验成果导入矿井自主开发的出水水源识别系统，能够快速识别出水水源15。钻孔施工过程中，时刻观察孔内返水时的水压、水量，同时监测有毒有害气体的浓度和成分。采取多频次、多时段的水质化验跟进验证，并及时记录每次异常返水时的钻探方位、深度、水量、压力等参数。同时注意观察、分析、收集下层煤层群的其他信息，为将来下层煤开采提供真实的现场资料。水质化验结果显示：水质类型为HCO3ClMgCa，矿化度为0.498 g/L，判断为石炭系砂岩裂隙水。6结语（1）对备用回采面的奥灰水情进行了综合评估，科学分析并确定了物探和钻探的垂深，对物探方法进行了综合分析并予以确定。两种物探电法相互验证异常区，利用音频电透视仪的2 个高低频率进行电法勘测，增加了电法解析的准确性，满足了矿井实际需要。（2）利用定向钻机进行精准定位钻进异常区，实施钻孔验证。结果显示均无异常涌水，7 个钻孔只有少量砂岩裂隙水，初步分析为下层煤煤系岩层间的砂岩裂隙水、孔隙水。钻进施工时，采取多频次多时段的水质化验跟进验证，判断为石炭系砂岩裂隙水。（3）矿井规范执行国家关于“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，主动深入研究水文地质状况，为下层煤开采夯实了坚定的理论基础和第一手宝贵资料，同时也形成了超前评价、物探先行、钻探验证、化探跟进“四位一体”的防治水技术体系和管理机制。参考文献：1尹尚先，王屹，尹慧超，等.深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术 J.煤炭学报，2020，45（5）：1855-1864.2郑士田，两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术 J.TD741.煤田地质与勘探，2018，46（4）：142-146，153.3袁亮，张平松.煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考 J.煤炭学报，2020，45（7）：2346-2356.4翁寅生，邬迪，鲁飞飞，等.煤矿井下钻机远程控制系统设计 J.煤田地质与勘探，2019，47（2）：20-26.5陈龙，陈刚，张冀冠.矿用随钻动态方位伽马仪器的研制与应用J.煤田地质与勘探，2022，50（1）：86-91.6张平松，欧元超，李圣林.我国矿井物探技术及装备的发展现状与思考 J.煤炭科学技术，2021，49（7）：1-15.7董洪波，范强，李坤，等.ZDY4500LFK全自动钻机开发与应用 J.煤田地质与勘探，2022，50（1）：66-71.8 石智军，姚克，姚宁平，等.我国煤矿井下坑道钻探技术装备40年发展与展望 J.煤炭科学技术，2020，48（4）：1-34.9许峰 工作面底板奥灰水综合探查与评价技术 J 能源与环保，2018，40（6）：26-30.10 王程，蒋齐平.几种矿井电法的应用分析J.中国煤炭地质，2017，29（3）：76-80.11刘耀波，张军.无线自组网络在音频电透视探测中的应用 J.能源与环保护，2021，43（2）：114-118.12万之杰.深采煤层工作面底板多道多频电透视探测模拟及应用研究 D.安徽：安徽理工大学，2021.13王鹏飞，代凤强，王根盛，等.音频电穿透技术在呼吉尔特矿区的应用 J.煤炭技术，2015，35（7）：124-126.14杨本水，黄天缘，宣以琼，刘结高，程爱民，翟恩发.特厚煤层综放开采底板破坏及阻隔水性能分析 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methods in line with mine conditions are selected for design and construction.Besides,the depth and scope ofgeophysical exploration and drilling surveys are scientifically analyzed and determined.The directional drillingmachine is used for standard drilling design and construction in the abnormal area of floor,which is followed by geochemical exploration for verification from time to time,to provide a practical basis for safe mining and collect valuable data for subsequent mining of lower coal seam.With continuous improvement of theprevention and control technology system of ordovician limestone water under pressure mining over the years,the mine gradually forms the concept and management mechanism of floor ordovician limestone water prevention and control technology in a four-in-one(including advanced evaluation,geophysical exploration in advance,drilling for verification,follow-up geochemical exploration)manner,which is meaningful for othermines.Key Words:ordovician limestone water;advanced evaluation;geophysical exploration in advance;drilling forverification;follow-up geochemical exploration;four-in-one（收稿日期：2022-09-10责任编辑：王静）李胜利：“评物钻化探”理念在煤矿回采面工程实践技术应用（上接第30页）Discussion on Local Ventilation Technology for Single-roadwayLong-distance Fully-mechanized Coal FaceZHAO Chunlong,TIAN Yanrong(Meihuajing Coal Mine of CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Lingwu,Ningxia 750405)Abstract:In response to the technical difficulties of forced local ventilation at single-roadway long-distancefully-mechanized coal face of return airway 111801 of horizontal mining area 11 of Meihuajing Coal Mine,this paper makes analysis from three aspects:high air leakage rate of air duct,high friction resistance of airduct,and air duct disconnection caused by ventilator pressure.Technical measures such as local ventilators,air leakage reduction technology,ventilation resistance reduction technology,and guarantee management enhancement have been appropriately selected to realize a ventilation distance of over 3 500 meters,ensuringrapid excavation of single-roadway long-distance fully-mechanized coal face.Key Words:single-roadway long-distance fully-mechanized coal face;local ventilation;air leakage rate ofair duct;friction resistance（收稿日期：2022-09-10责任编辑：王静）36