煤矿水害的原因有很多种,可能是采空区严重积水造成,也可能是隔水煤层柱强度不够所致,不仅会造成人员伤亡,也会造成经济损失,延误煤井正常施工。因此,在对煤矿开采前,需要做好水害勘测与预防措施,这对保障安全生产非常重要。针对水害危险,一定要坚持先治理后开采的原则,利用复合勘探技术探查原因,利用物探技术、配置装备对煤井工作面进行钻探观察,对水文地质做出评估、判断,圈出影响开采的异常区域,从而为矿井开采提供依据。
目前,复合勘探技术采用的钻探手段为回转钻进成孔方法,学者李璐在金鑫达煤业有限公司11102工区采用瞬变电磁土法探测异常区域后,设计了18个120-152m深度的常规钻孔进行验证;侯俊华等人在东滩14317工作面进行物探后,设计了14个115m以下深度的常规钻孔进行验证。这种方法需要大量的钻孔和大量的工作。此外,钻孔变形、孔形变化和钻进工艺参数的变化都会导致钻孔偏差。针对这一问题,本文提出了一种基于定向钻的复合勘探技术,并将其应用于煤矿水害探测,为防治工作中的水害提供依据。
1.复合勘探技术
(1)矿井物探技术
矿井物探技术探测距离较远,具有探测精度高、综合成本低、抗干扰能力强等优势。目前,物探技术包含多种,如:瞬变电磁探测、音频电透、地质雷达探测等,其中,音频电透技术的应用在煤矿工作探测异常体中是最有效、最常用的一种技术手段,该技术具有很强的抗干扰性,适用范围较广,用于该技术的探测仪器的灵巧性便于工作携带。该技术的原理是根据地下岩体间介质不均匀、电性差异大的原理对煤层底板进行钻探。所以,采用矿井音频电透技术进行物探。如图1所示,为矿井音频电透技术的工作原理。
(2)定向钻进技术
定向钻进技术借助孔底马达作为动力钻具,配置装备有钻头、测量系统、钻杆、泵等,对煤矿井下地质异常体进行探测作业时,首先要根据钻孔方位角控制好钻孔倾角,在保证钻孔精准定位的基础上实现分支孔钻进以及延伸,该技术普遍应用于地质异常体探测等领域,具有综合成本低等特点,是钻进效率较高的一种技术。定向钻进系统组成如图2所示。
2.现场应用
(1)矿井水文地质条件
以内蒙古自治区准格尔旗井田为例,对煤层异常体进行钻探,该煤井构造复杂,煤层下含有奥灰含水层,而且含水量较高,其中水位高度为870m,矿井煤层顶部与奥灰含水层顶的距离为55m,而煤层底板隔水层水压为1.2MPa,所能承受的极限奥灰突水系数为0.6MPa。基于煤层底板厚度可以有效预防对隔水层的破坏,可以对煤层实行安全带压开采。然而在煤层进行钻探作业时,探测导水断层时由于导水通道中容易出现陷落柱等危险事故,所以,会威胁到煤层开采。
(2)施工组织
矿井音频电透技术采用单极、偶极设计装置探测工作面以下岩石的富水性,发射机与接收极的距离分别设置为50m、10m。采用定向钻进技术对煤井进行钻探施工,主钻孔12个,分支钻孔8个,煤层顶部到隔水层的高度为35～40m,煤层岩石介质不均匀,构造复杂,结合水文地质情况考虑,应该加固探查区域,将导水通道封堵,做好预防安全措施。其中,配置的装备有钻机、钻孔、钻杆、探测系统、泵等,各装备具体型号规格见表1。
钻孔设计三级孔身结构,一级孔身用于下入孔口管,安装孔口控水闸阀;二级孔身用于穿过泥岩、9上煤、9下煤等不稳定地层,保障钻孔施工安全;三级孔身为定向孔段,钻孔弯曲按设计轨迹钻进,对富水性异常区进行探查。
(3)勘探结果与分析
采用音频电透技术对煤层进行探测,利用三维虚拟仿真系统所得到的勘测结果是在切眼附近有异常物,该异常区面积为95m×45m,以切眼位置向东80m,回风巷向南110m范围内,并且垂直向下联通,属于低阻异常区。在回风巷进行钻探时,对其范围内的异常区域展开施工作业,配备3个钻孔、探测系统、钻杆等设备,工作时先检查钻孔位置,处于水平垂直方位,然后控制好钻向倾角,施工时检测钻孔水位,并取样化验,如果钻孔涌水量呈曲线,则钻孔还未钻入异常区域,如果钻孔涌水量的高度大于10m3,那么,钻孔施工进入低阻异常区,而孔涌水量也会随着钻探深度逐渐增加,3个钻孔呈现出不同的水位高度,分别为:60m、68m、51m。
钻孔1:深度633m,钻孔施工到474m时,孔涌水量为25m3/h,施工直534m时,孔涌水量为40m3/h,此时可以检测到低阻异常区水含量为8.25mg/L。
钻孔2:孔深639m,钻孔施工到385m时,孔涌水量为11m3/h,施工直492m时,孔涌水量为35m3/h,此时可以检测到低阻异常区水含量为492.69mg/L。
钻孔3:深度606m,钻孔施工到417m时,孔涌水量为25m3/h,施工直474m时,孔涌水量为72m3/h,此时可以检测到低阻异常区水含量为315.58mg/L。
根据上述钻探情况进行分析,从勘探结果中可以看出,在煤井异常区内含有导水奥灰岩,同时存在溶陷落柱的问题,对钻井顺利施工会造成威胁,为了达到安全施工,需要注浆加固,封堵导水通道,才能有效避免突水事故的发生。
3.结论
矿井音频电透技术作为复合勘探技术中最常用、最有效的一种探测技术,其应用范围较广,成本较低,普遍应用于对煤井的作业施工中。复合勘探技术综合运用了各种技术,为探查水害提供了新思路。本文采用音频电透技术,借助三维模拟计算机辅助技术,对某矿井进行钻探,勘探结果显示该切面范围存在低阻异常区,在定向钻进技术的运用下,观察钻桶水量,检验水质情况,并进一步判断明确该区域存在导水奥灰岩溶,如果强加施工会出现岩溶陷落柱的问题,基于勘探结果,进而采取有效措施,对切眼工作位置进行注浆加固并封堵导水通道,从而避免了突水事故的发生,推进矿井工作的顺利开展。
摘要：在煤矿工作面水害中,复合勘探技术含有多种钻探技术,该技术采用了回转钻进成孔方法,钻孔分为主钻孔和分支钻孔,施工时工作量相对较大,在施工作业过程中,出现钻杆弯曲、钻进参数发生变化时,可以判断该工作面存在水害危险,需要重新制定探测计划。针对这一问题,复合勘探技术的应用将很好的解决了该问题。首先,利用矿井音频电透技术,在三维模拟系统的辅助作用下对煤矿工作面水害进行勘探,进而判定探测区域为电阻异常区,借助定向钻进技术确定富水区,通过控制钻孔勘察钻孔水量的变化以及水质情况,取样进行化验,在进一步确定异常区存在导水奥灰岩溶陷落柱的基础上,对圈定区域采取有效措施,从而确保钻探工作的顺利进行。根据勘察结果,注浆加固并封堵导水通道,这样可以有效避免突水事故的发生。
关键词：煤矿水害探测,复合勘探技术
参考文献
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