煤矿回采工作面顶板疏放水效果评价

孟强华,郝宇军

（山西晋煤集团 技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006)

1672-5050（2017)05-0061-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.018

2017-07-28

孟强华（1984-),男,山西汾西人,本科,工程师,从事煤矿水害防治研究工作。

煤矿回采工作面顶板疏放水效果评价

孟强华,郝宇军

（山西晋煤集团 技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006)

资源整合矿井大多数存在回采工作面上部采空区范围不详、积水量不清的情况,给煤矿安全生产造成了较大的压力。朝阳煤矿为资源整合矿井,9101工作面为首采工作面,工作面上方存在老空积水及太原组石灰岩岩溶水威胁。采用瞬变电磁探测圈定了工作面上部的富水异常区,对异常区进行钻探疏放水,疏放水工程完成后,利用瞬变电磁探测检验原富水异常区的富水性、利用钻孔测井检验钻孔施工的靶向性、探查目的层位的裂隙发育及出水情况、利用水质化验分析确定疏放水的水源、利用疏放水量统计分析判定积水是否放完,综合以上方法对煤矿回采工作面顶板疏放水效果进行了评价,指导了矿井的安全生产。

回采工作面;老空积水;疏放水;瞬变电磁;效果评价

矿井突水是影响煤矿安全生产的主要因素之一。目前,我国大部分资源整合矿井存在对整合前资源开采情况不明、采空区调查不详等情况。其中采空区积水是威胁矿井安全生产的首要隐蔽致灾因素[1]。采煤工作面顶板疏放水后,如何对疏放水效果进行评价、有效预防工作面回采时顶板发生突水事故,成为摆在煤矿安全生产中至关重要的问题。通过朝阳煤业9101工作面的顶板疏放水工程实例,对采煤工作面顶板疏放水效果评价进行了研究。

1 疏放水设计

1.1矿井瞬变电磁探测

矿井瞬变电磁法是将地面常用的瞬变电磁法应用于煤矿井下,对常规物探方法较难探测的工作面顶、底板富水构造和巷道迎头超前富水构造的发育情况,有非常好的应用效果[2-5]。

利用矿井瞬变电磁探测方法,能够清晰地解释矿井所测范围内采空区积水情况,该方法简单、仪器轻便、工效高、费用少,是一项可推广应用的好方法[6]。工作面探放水之前,首先采用矿井瞬变电磁法对工作面顶板水体发育位置进行探测。采用YCS160瞬变电磁仪进行了探测,在9101工作面进、回风顺槽各布置探测测线4条,探测方向为顺层0°、顶板30°、顶板60°、顶板90°,每条测线测点距为5 m。探测成果示意图,见图1,有8处低阻异常区,图中横坐标0 m为工作面顺槽巷道开口处,1 150 m为工作面切眼。

图1 疏放水前瞬变电磁探测成果示意图Fig.1 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

从瞬变电磁探测结果结合地质资料分析可以得出,工作面顶板往上20 m及50 m处切片成果图中的8处低阻异常的预测结果,如表1所示。

表1 疏放水前瞬变电磁探测结果Table 1 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

1.2钻孔设计

根据矿井瞬变电磁探测结果中的异常区范围,本着钻孔施工必须见水或见空的原则,对工作面顶板富水异常区进行钻孔设计。

在9101工作面两顺槽巷道布置钻场9个,钻孔30个,总进尺2 284 m。本次疏放水水头压0.6 MPa～0.7 MPa,预计探放水期间,单孔退出钻杆前最大出水量65 m3/h,单孔退出钻杆后最大出水量116 m3/h。施工使用设备ZY1250全液压钻机,套钻杆为Φ50 mm×1 500 mm或Φ50 mm×1 000 mm,钻头为Φ75 mm三翼复合片钻头,终孔直径为75 mm,开孔扩孔钻头孔径为133 mm。根据《煤矿防治水规定》要求安设大于10 m长的止水套管,止水套管规格外径为108 mm,内径为98 mm,注浆加固后进行耐压试验,试验压力2.0 MPa,持续时间不少于一小时。

1.3钻孔测井

疏放水钻孔测井采用的是YCJ90/360型矿用钻孔测井分析仪,该测井技术适用广泛,钻孔孔径无限制,孔斜方位无限制,不依赖钻机推送。

井下钻孔测井技术选用高分辨率视频、自然伽玛测井、孔斜测量相结合的硬件设计,一次完成视频、自然伽玛（GR)、孔斜等原始数据的采集。通过软件处理,生成GR曲线、砂泥比曲线;GR与视频按照同深度进行同步分析判别岩性,绘制钻孔岩性柱状、钻孔岩层结构（分层岩性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙发育情况、出水点特征、顶板离层情况及断层等)、钻孔孔斜定向剖面、钻孔孔斜平面,最后以CAD格式导出。

对出水量较小的钻孔及见空的钻孔,施工完毕后进行钻孔测井,绘制钻孔的实际轨迹结合视频和测井结果判定钻孔出水层位、裂隙发育情况、见空层位,为钻孔的施工及放水提供依据。出水量较大的钻孔等待水量衰减后,再进行钻孔测井。

2 疏放水效果评价

朝阳煤业于2016年10月24日在9101工作面胶带巷8#钻场开始施工,然后按设计搬家施工了其它钻场的钻孔,于2017年3月16日施工完毕。累计施工钻孔29个,进尺2 203 m,累计放水量13.7万m3。

2.1瞬变电磁探测成果评价

疏放水工程结束后,于2017年4月3日对9101工作面进行了瞬变电磁探测。探测设计和使用的仪器与疏放水前一致。瞬变电磁探测结果,见图2。

图2 疏放水后瞬变电磁探测成果图Fig.2 Results of transient electromagnetic exploration before water drainage

从探测结果可以明显看出,经过疏放水工程后,原工作面上部的富水异常区已转变成弱富水区,视电阻率值较探测前的要高。疏放水前各个富水区的视电阻率在5 Ω·m～20 Ω·m之间,疏放水后该区域的视电阻率在40 Ω·m～10 Ω·m之间。

2.2水质化验及放水量统计评价

疏放水工程开始以后,对各个出水钻孔的水样进行了水质化验,通过对比水样数据库及现场施工记录的出水位置,确定了出水点的水质特征。水质化验对比结果如表2所示。

表2 各出水点水质化验结果

通过每天对出水钻孔进行了涌水量观测,绘制各钻场钻孔涌水量随时间变化情况图,利用求积法计算出了整个工程的疏放水总量为13.7万m3。根据前期调查计算,该工作面上部小煤窑破坏区采空积水量约6万m3,放水量与采空积水量相差7.7万m3,为工作面顶板石灰岩裂隙水。各钻场钻孔涌水量统计数据如表3所示。

表3 各钻场出水量统计

2.3钻孔测井成果评价

顶板疏放水工程施工期间,先后对7个钻孔进行了测井,其中3个钻孔有典型老空出水特征,2个钻孔有K5石灰岩岩溶裂隙水出水特征,1个钻孔有顶板裂隙发育的特征,1个无明显异常的钻孔。通过对比该工作面附近的地面钻孔柱状资料和井下施工无明显异常的钻孔测井数据,得出了该工作面顶板疏放水钻孔所穿过地层的GR曲线、砂泥比曲线,为异常钻孔的测井成果提供了可靠依据。通过测量实际施工钻孔的轨迹,得出了平面、剖面轨迹图,对钻孔的终孔位置有了精准判断。

3 结论

1)通过采用瞬变电磁探测、水质化验及疏放水量统计分析、钻孔测井三种方法对回采工作面顶板疏放水效果进行评价,可以基本确定工作面上部的富水区经过疏放水工程后,已转变为弱富水区,消除了工作面回采时顶板水突然溃入的安全威胁。

2)利用瞬变电磁法对水体反映能力强的特点,对顶板老空积水、局部岩溶发育带进行探测和评价,不仅提高了水文物探的精度和应用效果,为疏放水钻孔的合理布置提供了可靠依据,降低了钻探费用,提高了疏放水效率。

3)通过疏放水前的积水量预计和疏放水量对比,结合疏放水钻孔测井成果,可以基本判定上部采空积水及裂隙水是否基本放干。

4)综合物探、化探、测井及矿井的地质资料分析,可以作为一种有效的回采工作面顶板疏放水效果评价手段,为煤矿安全生产提供坚强的地质保障。

[1] 马延君,孟明.瞬变电磁法在矿井水害预测防治中的应用[J].中国新技术新产品, 2013（12):140-141.

[2] 姜国庆,程久龙,王玉和,等.矿井瞬变电磁法探测工作面顶板岩层含水性[J].煤矿安全,2010,41（10):47-50.

[3] 牟义,李文,黎灵,等.矿井瞬变电磁法在工作面顶板富水性探测中的应用[J].煤矿安全,2011,42（1):104-107.

[4] 杨振威,李贤庆,凌标灿,等.瞬变电磁法在探测工作面顶板赋水性中的应用[J].中国煤炭地质,2010,22（1):62-66.

YANG Zhenwei,LI Xianqing,LING Biaocan,etal.Application of TEM Method in Working Face Roof Aquosity Prospecting[J].Coal Geology of China,2010,22（1):62-66.

[5] 姜博洋.瞬变电磁技术探测工作面上覆采空区积水[J].科技信息（学术研究),2008（36):636-637.

[6] 杨庚宇.中国煤矿防治水理论与技术进展[C].北京:煤炭工业出版社,2011.

EffectEvaluationofRoofDrainageWaterofCavingFaceinMines

MENGQianghua,HAOYujun

（InstituteofTechnologyResearch,ShanxiJinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In resource integration coal mines, many problems have caused huge stress for the safe production in mines, including vague range of upper gob and unknown water accumulation. Zhaoyang Mine, as a resource integration mine, takes No.9101 working face as its first mining face threatened by the stored water in the upper gob and limestone karst water of Taiyuan formation. Transient electromagnetic exploration was used to determine water-rich anomalies, and then water was drained. After the water drainage, the transient electromagnetic exploration was then used to detect the water richness of the original water-rich anomalies; borehole logging was used to detect the targeting ability as well as the fracture development and water situation of the target level; water quality analysis was used to determine the water source; statistical analysis on the drainage water quantity was used to determine whether the water drainage was finished. Synthesizing the above methods, the water drainage effect was evaluated, which could provide guidance for the safe production in the mines.

caving face; stored water in gob; drainage water; transient electromagnetic method; effect evaluation

TD743

A

（编辑:杨 鹏)