煤礦井下老空防治水方案的應(yīng)用研究

王永鵬，石瑞宏，高國強(qiáng)

(陽泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100)

引 言

隨著煤礦井下開采技術(shù)的不斷提高，開采的深度不斷加大，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，在采掘作業(yè)過程中發(fā)生透水事故的概率不斷的加大。老空水是指已采掘的塌陷區(qū)及舊巷內(nèi)所積存的不流動的“死水”具有積存水壓大、涌出速度快、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，一旦發(fā)生老空水透水事故將給煤礦井下采掘作業(yè)安全帶來極大的隱患。多數(shù)煤礦對老空水的防治主要是通過經(jīng)驗(yàn)對可能出現(xiàn)老空水的位置進(jìn)行判斷，然后利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)確認(rèn)，該方案嚴(yán)重依賴于防治水人員的經(jīng)驗(yàn)，而且探測效率較低、誤差大，難以滿足井下準(zhǔn)確探放老空水的需求。同時由于老空水一般賦存條件較深，利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)放水時，鉆機(jī)鉆進(jìn)方向極易出現(xiàn)偏斜，影響鉆探放水的效率。因此結(jié)合煤礦井下老空水存在條件，本文提出了利用瞬變電磁法的快速探測方案，實(shí)現(xiàn)了對井下復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的快速、精確探測需求，同時結(jié)合鉆探技術(shù)的發(fā)展，提出了一種復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的快速鉆探方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明新的鉆探方案的鉆探效率比傳統(tǒng)方案提升70%以上，且精確性有了顯著提升，新的鉆進(jìn)技術(shù)方案將井下鉆孔的鉆進(jìn)的一次合格率提升了85%，顯著提升了煤礦井下鉆探效率，確保了采掘作業(yè)的安全。

1 瞬變電磁法測量

瞬變電磁法是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場[1]，根據(jù)不同介質(zhì)反應(yīng)的二次渦流場情況來對介質(zhì)特性進(jìn)行判斷，從而確定老空水分布位置的一種方案。在對探測區(qū)域進(jìn)行瞬變探測時，通常會選擇圓形、矩形探測線圈布置方案，保證線圈探測方向始終對準(zhǔn)老空水的探測區(qū)域，在重點(diǎn)探測區(qū)，可以采用增加發(fā)射密度方案提升探測的準(zhǔn)確性，探點(diǎn)間的距離不大于4 m。

由于煤礦井下存在著電纜、鐵軌、礦車等金屬體，對瞬變電磁法的應(yīng)用會造成較大的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)首先清除區(qū)域內(nèi)的金屬物質(zhì)，若是電纜則應(yīng)盡量移位，移位不方便時則需對電纜進(jìn)線斷電處理[2]，避免影響探測的準(zhǔn)確性。

為了對瞬變電磁法的應(yīng)用效果進(jìn)行判斷，以煤礦井下初步判斷有老空水的區(qū)域設(shè)置電磁瞬變探測裝置，共分布1組電磁瞬變場，探測場的寬度為80 m，長度為160 m，探測場的電磁發(fā)射端垂直于探測區(qū)域，探測完成后對探測場進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 15108工作面上覆9102瞬變電磁法探測結(jié)果示意圖

由實(shí)際探測結(jié)果可知，探測區(qū)域110 m范圍內(nèi)無積水存在，橫軸110 m～160 m、縱軸21 m～49 m的區(qū)域內(nèi)存在著大量的陰影區(qū)域，表明該處可能存在著老空水。瞬變電磁探測后利用鉆探測法對其進(jìn)行了驗(yàn)證，鉆探結(jié)果與電磁探測結(jié)果相符合，表明了電磁瞬變法探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 鉆進(jìn)施工

在煤礦井下鉆進(jìn)過程中，由于不同區(qū)域的煤巖的硬度特性不同，而且存在著大量的裂隙發(fā)育區(qū)，在大深度鉆進(jìn)的過程中，受鉆進(jìn)時的偏心力和巖層物理特性影響，會出現(xiàn)鉆孔偏斜的情況，不僅會增加鉆進(jìn)長度、降低鉆進(jìn)行效率，嚴(yán)重還會導(dǎo)致鉆孔偏離老空水積聚區(qū)域，嚴(yán)重影響鉆孔放水的效率和安全性。

為了提升鉆進(jìn)時的精確性，提出了一種復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的快速鉆探方案，在傳統(tǒng)鉆頭的基礎(chǔ)上增加四翼扶正器[3]，扶正器距離鉆頭約為110 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 扶正器結(jié)構(gòu)示意圖

利用鉆頭處的四個飛翼在鉆進(jìn)過程中和四周的摩擦，阻止鉆頭的偏位，實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過程中對鉆頭受力的合理矯正，確保鉆頭不出現(xiàn)偏載，同時為了提升鉆頭鉆進(jìn)時的可靠性，降低鉆頭磨損，采用了復(fù)合鉆頭方案，使用小鉆頭對鉆進(jìn)方向進(jìn)行定向，利用大鉆頭確保鉆進(jìn)過程中的受力均勻性。

以二景礦為例，井田內(nèi)大面積基巖出露，局部黃土覆蓋，出露地層主要為二疊系上統(tǒng)上石盒子組和下統(tǒng)下石盒子組，山西組在井田東部有零星出露。據(jù)鉆孔資料結(jié)合區(qū)域資料，井田內(nèi)發(fā)育的地層自老到新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組(02f)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上統(tǒng)上石盒子組(P2s)和第四系中、上更系統(tǒng)(Q2+3)。利用優(yōu)化后的鉆進(jìn)方案對15108工作面上覆9102老空水鉆進(jìn)放水作業(yè)，優(yōu)化后的方案與優(yōu)化前方案的對比結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知，1號鉆孔采用了優(yōu)化后的復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的方案，2號鉆孔采用了傳統(tǒng)的鉆進(jìn)方案，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)效果分析可知，當(dāng)采用優(yōu)化后的復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的快速鉆探方案后，鉆進(jìn)深度80 m時的鉆進(jìn)軌跡的垂直偏移量僅為3 m，水平偏移量僅為4 mm，而當(dāng)采用傳統(tǒng)的鉆進(jìn)方案時，鉆進(jìn)80 m后的鉆進(jìn)軌跡垂直偏移量達(dá)到了約20 m，水平偏移量達(dá)到了30 mm。由此可知采用優(yōu)化后的鉆進(jìn)方案后，鉆進(jìn)時的水平偏移量降低了85%，垂直偏移量降低了約86.6%，一次鉆進(jìn)合格率提升了85%以上，顯著提升了鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)時的安全性。

圖3 不同鉆進(jìn)方案鉆進(jìn)路徑分布示意圖

在鉆進(jìn)過程中需要特別注意防突水設(shè)置，鉆孔在進(jìn)行設(shè)置時應(yīng)呈扇形結(jié)構(gòu)，各個鉆孔終孔的水平距離應(yīng)不小于3 m，為了避免在鉆進(jìn)過程中鉆桿對巖孔周圍的巖石產(chǎn)生應(yīng)力波動，導(dǎo)致先鉆放水孔的塌方。

在鉆進(jìn)的過程中需要在鉆孔的開口處設(shè)置止水套管，并采用灌漿法對套管進(jìn)行固定，固定完成后才能進(jìn)行提鉆放水[4]。

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有鉆探防水探測方案探測效率低、精確性差，無法滿足快速勘探需求的現(xiàn)狀，提出了采用瞬變電磁法快速探測和復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的快速鉆探方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1) 瞬變電磁法利用二次感應(yīng)渦流場來實(shí)現(xiàn)對井下積水區(qū)域的快速探測，而且探測結(jié)果準(zhǔn)確性高、直觀性好。

2) 復(fù)合鉆頭結(jié)合扶正糾偏的快速鉆探方案，利用復(fù)合鉆頭和鉆頭四翼扶正器來實(shí)現(xiàn)對鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)方向的精確控制，顯著提升了鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)時的安全性。

3) 鉆進(jìn)過程中為了防止突水事故，鉆孔應(yīng)呈扇形布置，而且鉆進(jìn)的過程中需要在鉆孔的開口處設(shè)置止水套管，并采用灌漿法對套管進(jìn)行固定，固定完成后才能進(jìn)行提鉆放水。