“钻探 物探”一体化技术在煤矿水害防治中的应用.pdf

图 1孔中瞬变电磁法技术原理图“钻探+物探”一体化技术在煤矿水害防治中的应用王若琨（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西大同037003）摘要：为了保证煤矿采掘施工安全，解决目前煤矿单一超前钻探施工时精度低、劳动作业强度大等技术难题，燕子山矿决定对掘进巷道提出钻探与物探一体化勘探技术，结合了钻探、钻柱振动录井、孔中瞬变电磁法、孔中电法等技术，能够准确掌握钻探轨迹、煤岩层岩性，对采掘区域附近含水层分布、积水情况实现了准确勘探。将该技术在8218 运输顺槽掘进中进行应用，取得显著应用成效。关键词：煤矿；采掘区域；防治水；钻探；物探；一体化技术中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0204-0218218 运输顺槽概述8218 运输顺槽位于 900 m 水平 C3 号层 302 盘区。工作面走向长 2 1882 220 m，倾向宽 179.5 m，工作面西部为 C3 号层可采边界线，南部为 8216 工作面，东部为 C3 号层盘区巷，北部为实煤区。8218 运输顺槽掘进煤层为 C3 号层，巷道长度为2 400 m，煤层结构简单，有 35 层 0.021.88 m 厚的夹石，其中一层赋存稳定的夹石厚度介于 0.10.6 m。煤层厚度为 4.56.5/5.5 m，属厚煤层；煤厚变异系数为 20.5%，系稳定煤层；煤层产状稳定，走向大致呈东西，倾向东，平均倾角为 21-2。1）上覆采空区水患情况：该工作面对应上覆山 4号层 8218、8220 采空区，山 4 号与 C3 号煤层层间距约 25 m，山 4 号层 8218、8220 工作面总体呈下山开采，仅局部有个别低洼处。山 4 号层 8220 采空区低洼处共计 4 处，C3 号层 2218 巷在掘进过程中，针对上覆山 4 号层 8220 采空区低洼处及积水区进行超前探放水工作，共施工 6 个超前探放水孔，其中 1 号、3号、4 号、5 号、6 号孔通水，2 号孔累计排水 1 200 m3，低洼处积水已排空。2）同层老空水害情况：本工作面西边为采区边界，东面为 C3 号层盘区轨道巷，北部为实煤区，南边为同层 8216 面采空区，C3 号层 8216 工作面上覆积水在回采前已经探放完毕，其与 8218 工作面之间的煤柱为 5.5 m，受同层采空区积水影响，C3 号层 8216面采空区内共有 2 处低洼积水区域。3）顶底板含水层水患情况：C3 号煤层上覆山西组底部为 K3 砂岩裂隙含水层，岩性以灰白色中砂岩为主，胶结较为疏松，太原组砂岩裂隙含水层距 C3 号层 8218 工作面底部约为 30 m，岩性为中、粗粒砂岩，厚约 1019 m。通过对 1 号水文长观孔观测得出：该含水层水位标高为+948 m，具有一定的承压性，单位涌水量 0.008 66 L/（s m），受补给能力差，属高水头弱富水性含水层3。2钻探物探一体化原理孔中瞬变电磁法与传统的瞬变电磁法技术原理相同，是将巷道、钻孔、瞬变电磁法结合为一体的探测技术，首先在巷道内通过发射线圈激发瞬变电磁场，然后利用安装在钻孔内的电磁传感器接收钻孔孔深感应电压信号，从而准确探测周边低阻异常区4，孔中瞬变电磁法的工作原理如图 1 所示。钻柱振动录井技术主要采用安装在钻杆上的传感器对钻机钻进过程中产生的震动波进行监测、接收、分析、储存等；接收的震动监测数据主要采用随钻测震仪进行分析，具有钻孔轨迹测量、随钻三分量振动测量等功能，通过分析钻机钻进阻力以及岩体岩性来探测采掘区域构造情况。采用 YZD11 槽波地震电法系统对钻孔进行电法探测，具体探测方法如下：首先将双模电极安装在直径为 50 mm 的 PVC 管内，每间距 2.5 m 安装 1 道电极，孔内共计安装 30 道电极，将每道电极采用铜丝与收稿日期：2023-02-27作者简介：王若琨（1994），男，山西阳高人，毕业于华北科技学院地质工程专业，本科，助理工程师，现就职于晋能控股煤业集团燕子山矿地质测量部，主要从事煤矿防治水相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.079一次场二次场低阻异常区发射线圈接收线圈钻场技术应用2023 年第 9 期孔壁煤岩体耦合，如图 2 所示。利用 PVC 管实现钻孔全覆盖探测，该系统具有探测精准度高、覆盖率高等优点5。3一体化钻探效果分析为了准确掌握 8218 运输顺槽掘进区域以及附近区域内水文地质情况，巷道掘进 260 m 后，在巷道迎头布置钻孔进行钻探与物探一体化探测，可分为钻探中和钻探后 2 个阶段的探测施工，具体施工方案如下：1）在钻探施工过程中，先采用钻柱振动录井技术准确掌握钻孔钻进轨迹，并探测钻孔在不同煤岩层内产生的地震属性，从而对钻孔钻进过程中进行全程管控；当钻孔钻进到位后，采用孔中瞬变电磁法、孔中电法等对钻孔钻进岩性、钻进区域地质构造以及含水层情况进行探测6。2）探测钻孔布置在 8218 运输顺槽迎头煤壁上，钻孔深度为 110 m，直径为 75 mm，钻孔布置仰角为 8，钻孔开口位置距顶板间距为 1.0 m，每排布置1 个钻孔。钻柱振动探测施工后，采用方差分析法对探测数据进行准确分析，通过现场施工来看，钻孔施工过程中停机状态以及换杆施工时钻孔内传感器收集的震动信号相对较弱、数据方差小；而钻机正常钻进过程中震动信号强且数据方差大，从而得出钻孔震动数据图，如图 3 所示。根据图 3 可得，钻孔施工前期的监测震动数据相对稳定，主要是由于钻孔施工初期的围岩稳定性相对较好，在整个钻进过程中共计发现 3 处异常区，主要集中在 1821 m，6065 m 以及 7075 m 范围内，根据钻孔排矸岩性分析，出现异常区的主要原因可能是煤体内出现了裂隙带。通过对钻孔进行孔中瞬变电磁法探测发现，在钻孔 020 m 范围内，孔四周岩体视电阻率整体相对较高，且视电阻曲线表现为平缓状态；在 2030 m 范周边岩体内视电阻率相对较低，且视电阻曲线变化相对较大，但未见低阻异常区，如图 4 所示。通过对钻孔进行电法探测发现，在孔深 110 m 范围内探测周边岩体，探测孔四周围岩视电阻率在2045 m 范围内，未见围岩视电阻异常区，钻孔周边不存在含水层，富水性差，同时在探测区域内未见断层、陷落柱等隐伏构造等。8128 运输顺槽掘进区域采取“钻探+物探”一体化技术探测共施工 8 次，探测长度为 880 m，通过探测结果与巷道实际掘进情况对比发现，巷道在掘进区域内未揭露断层、陷落柱等地质构造，在采用钻柱振动录井技术进行探测时发现，在 1821 m、6065 m 以及 7075 m 范围内存在震动异常区，通过实际掘进发现，分别在 19.7 m、62 m 以及 74 m 处各揭露一条裂隙带，巷道掘进期间未见顶板淋水现象。4结论1）巷道采用传统瞬变电磁法以及超前钻探施工时，施工工序繁琐、施工精度低、劳动作业强度，而采用钻探与物探相结合的一体化探测技术，提高了采掘工作面探测效率及探测精度，能适用于复杂条件下采掘工作面地质构造、富水区的探测，实用性强。2）一体化探测利用钻孔内安装的震动传感器以及钻孔反渣情况能够实时掌握钻孔钻进轨迹、煤岩性变形以及揭露地质构造情况；采用孔中瞬变电磁法可准确判断钻孔四周富水区位置并进行准确标定；采用孔中电法可准确判断地质异常区类型及位置。3）采用一体化探测技术后，缩短了采掘工作面超前探测时间，通过现场实际应用来看，每次探测时长为 6.7 h，其中钻孔时长为 4.2 h，按巷道 2 400 m 计算，共经过 21 次一体化探测，探测总时长为 88.2 h；而采用超前钻探时需进行 24 次钻探，每次布置 3 个钻孔，每次钻探时间为 18 h，总时长为 432 h。由此可见采用一体化探测大大缩短了探测时间。图 2孔中电法技术施工平面示意图图 3钻孔施工过程中震动监测曲线图图 4孔中瞬变电磁法探测图椎50 mmPVC导管集中式电法仪航插尾端（孔口）30 号2 号1 号顶端（孔底）电法线缆2001501005001020304050607080钻孔深度/m震动异常区震动异常区2520151050101520253035404554-1 10方位角剖面进尺/m101520253035404554-2 120方位角剖面进尺/m25201510502 4 6 810121416182022242628303234363840424446籽/（m）（下转第 240 页）王若琨：“钻探+物探”一体化技术在煤矿水害防治中的应用205窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷参考文献1刘玮.物探技术在煤矿地质探测中的应用研究J.能源与节能，2022（11）：216-218.2叶一飞.综合物探手段在探测煤矿采空区的应用J.陕西煤炭，2022（6）：1-6.3张丹枫.瞬变电磁法勘探在煤矿多层采空积水区的应用研究J.冶金管理，2021（9）：95-96.4杨兵.煤矿地质勘探和储量研究J.当代化工研究，2020（13）：88-89.5张凯.综合勘探法在煤矿地质勘探中的应用研究J.内蒙古煤炭经济，2020（1）：209-210.6闫民民.煤矿地质勘探技术及其重要性分析J.水力采煤与管道运输，2018（3）：189-190.（编辑：武倩倩）Application of Drilling+Geophysical Prospecting Integrated Technology in Coal Mine WaterDisaster PreventionWang Ruokun（Jinneng Holding Coal Industry Group Yanzishan Mine,Datong Shanxi 037003,China）Abstract:In order to ensure the safety of coal mining construction and solve the technical problems such as low accuracy and high laborintensity during the current single advance drilling construction in coal mines,Yanzishan Mine has decided to propose an integratedexploration technology of drilling and geophysical exploration for the excavation tunnel,which combines drilling,drilling string vibrationlogging,transient electromagnetic method in the hole,and electrical method in the hole to accurately grasp the drilling trajectory,coal rocklithology,and the distribution of aquifers near the excavation area.The water accumulation situation has achieved accurate exploration.Theapplication of this technology in the 8218 transportation trench excavation has shown significant application results.Key words:coal mine;mining area;prevention and control of water;drilling;geophysical exploration;integrated technology阻异常区，说明存在积水区；低阻异常区主要集中在工作面上覆顶板 2540 m 范围内，特别在顶板 35 m处异常现象较为明显，确定了顶板有 2 处异常区，分别位于距工作面 427470 m 处以及 580630 m 处，与工作面 45仰角方向的视电阻断面图圈定的异常区基本一致，该区域主要位于 14-3 号层上覆砂岩层位中；在顶板 60 m 以上电阻率相对较高，表明在此范围内不存在积水区，富水性相对较弱。4结论1）建立了工作面顶板侏罗系岩层局部富水的典型全空间三维地质模型，证明了矿井瞬变电磁法探测低阻顶板岩层富水性的有效性，分析并总结了局部含水体存在时的电磁响应特征，为实际工程应用及资料的合理解释奠定了基础。2）针对实际探测出的 5 处低阻异常区施工验证孔，后期探放水结果验证了矿井瞬变电磁法探测成果的准确性，为消除顶板突水隐患提供了技术保障。3）研究成果表明，采用瞬变电磁法能够准确判定低阻岩层中富水区位置及范围，对煤矿水害治理提供了实践依据，该法可在不同低阻区采掘工作面的富水区探测中进行推广应用。参考文献1刘玮.瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用研究J.能源与节能，2023（3）：219-221.2王军.矿井瞬变电磁法探测顶板低阻岩层富水性J.矿业安全与环保，2023（1）：76-78.3林建功.综合物探方法在探测煤矿采空区积水中的应用J.煤炭与化工，2023（1）：72-75.4黄军辉.瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用J.能源技术与管理，2022（6）：85-87.5杨高峰.矿井瞬变电磁法在掘进工作面水患探测中的应用J.煤炭科技，2022（6）：111-116.（编辑：武倩倩）Application of Transient Electromagnetic Method in Detecting Water Rich Property of LowResistivity Strata in Mine RoofBai Lei（Jinneng Holding Coal Industry Group Yanzishan Mine,Datong Shanxi 037001,China）Abstract:In order to verify the application effect of transient electromagnetic method in the detection of water abundance in low resistancerock layers on the roof of the fully mechanized mining face of Yanzishan Mine,the principle of mine transient electromagnetic method waselaborated,and the electromagnetic response characteristics were analyzed by establishing a three-dimensional geological model.Throughthe actual application results on site,the transient electromagnetic method can accurately delineate the range of low resistance anomalies,provide practical basis for precise detection of water rich areas in the working face,effectively prevent water accidents,and ensure safe andefficient production in coal mines.Key words:coal mine;roof water rich area;transient electromagnetic method;detection application（上接第 205 页）240窑窑