老煤窯采空影響區掘進巷道超前探放水技術研究

康鵬飛，郭亞騰，裴 惠

(山西靈石銀源興慶煤業有限公司，山西 靈石 031300)

水害是制約礦井生產的不利因素之一，老煤窯積水則是導致礦井出現突水事故的主要原因之一，對老煤窯積水區進行超前探測并針對性對積水進行疏排，對提高礦井生產安全保障能力具有顯著的促進意義[1-4]。超前探放水是礦井防治水工作開展的主要技術措施，對提高生產安全保障能力具有顯著的促進意義[5-6]。通過增加探測鉆孔長度以及布置密度等可實現富水區、采空區積水區探測，但是現場應用過程中存在探測針對性不強、成本高以及施工耗時長等問題[7-8]。山西某礦1502運輸巷掘進期間會通過上覆小煤窯開采破壞區，受到小煤窯關閉時間長、生產資料遺失等多因素影響，小煤窯破壞區范圍以及積水區范圍等不確定，巷道掘進面臨一定的涌水風險。為此，文中以1502運輸巷掘進為工程背景，提出通過物探方式大致確定老煤窯采空區積水區范圍，后通過鉆探進行探測以及超前疏排，降低老煤窯采空區積水影響并確保后續掘進安全。

1 工程概況

山西某礦為資源整合礦井，井田內開采煤層包括有2號、3號、5號、9號、11號、13號等，層間距分別為53 m、25 m、78 m、126 m、101 m，井田煤層賦存穩定、儲量豐富，地質構造不發育。淺部的2號、3號及5號煤層受小煤窯開采破壞影響明顯，且開采破壞區區域分布范圍不詳細。2號煤層及3號煤層資源已回采殆盡，現生產主要集中在5號及9號煤層。

1502運輸巷沿著開采的5號煤層底板掘進，5號煤層埋深深度均值為305 m，厚度3.2 m，賦存穩定、全區可采。1502運輸巷掘進范圍內可能存在有老煤窯采空區，且采空區內可能存在有積水，給巷道掘進帶來一定威脅。具體大致確定的1502運輸巷與老煤窯采空區位置關系如圖1所示。為避免1502運輸巷掘進期間誤揭老煤窯采空區或者避免老煤窯采空區內積水向巷道掘進空間大量涌出問題出現，需要對掘進巷道前方進行針對性探測，以便實現巷道掘進安全。為此，文中就采用瞬變電磁法對掘進前方潛在的富水區進行探測，后通過超前探測方式進行鉆探及疏排水，通過物探為鉆探提供指導，以便更好地服務巷道掘進工作。

圖1 1502運輸巷與老煤窯采空區位置關系示意

2 超前探測技術

2.1 正常探測

1502運輸巷正常掘進期間在掘進迎頭布置7個探測鉆孔，孔深均為70 m，鉆孔施工用KHYD-75鉆機，鉆孔布置呈扇形。探測鉆孔中1～4號鉆孔開孔均與巷道頂板間距為1 500 mm，鉆孔開孔間距均為800 mm，鉆孔仰角統一為12°，水平角分別為-13°、0°、0°、13° ；5號～7號鉆孔開孔與頂板間距為2 000 mm，鉆孔仰角均為0°，水平角分別為-8°、0°及8°.超前探測鉆孔施工完成并確保探測區域正常時，允許巷道掘進長度為40 m并預留30 m保護距離。具體超前探測鉆孔布置如圖2所示。

圖2 探測鉆孔布置圖(mm)

2.2 靠近老煤窯影響區探測

2.2.1 瞬變電磁探測

瞬變電磁接地線圈或者不接地回線向探測區域內發送脈沖電流，通過激勵探測目標體內感應二次電磁場，并在脈沖間歇期間采用接地電極或者線圈觀測二次場隨時間響應情況。在進行探測時，給發射線框提供直流電并迅速切斷供電，線框內電流出現突變從而在線框附近形成一次脈沖磁場；該一次脈沖磁場又會產生渦流場，渦流場衰變又會產生衰變的二次磁場并隨著時間推移逐漸向外部擴散。富水水體以及富水異常體往往具備有低電阻特性，而低電阻區時引起衰減較慢且場強較強的二次渦流場，含水性較少的高電阻區會產生衰減較快且場強較弱的二次渦流場[9-10]。瞬變電磁在煤礦井下富水區探測中廣泛應用。

由于老煤窯開采資料大部分已遺失，難以精準地確定老煤窯采空區范圍以及采空區內積水區位置，因此需要采用合理的技術措施確定積水區范圍，以便后續超前探放水工作開展更趨針對性并指導巷道掘進工作。對現有的資料進行分析，發現老煤窯采空區處于5號煤層，在1502運輸巷掘進迎頭進行瞬變電磁探測并對探測成果進行解釋，具體成果如圖3所示。從探測結果看出，在1502運輸巷左幫側前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置處存在有低阻異常區，該異常區分布位置與老窯采空區大致位置接近，應為后續探測重點區域。

圖3 瞬變電磁勘探成果圖

2.2.2 超前鉆探

對瞬變電磁探測圈定的異常區采用超前鉆探方式進行驗證，具體確定的低阻異常區范圍主要在靠近老煤窯采空區且標高較低位置，同時異常區部分位于掌握的老煤窯采空區邊緣位置。在布置超前鉆探鉆孔時，應對確定的異常區進行針對性探測。物探確定異常區位于1502運輸巷左幫側前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置，為確保巷道掘進以及鉆孔鉆進安全在距離圈定的異常區80 m位置，布置鉆場并在鉆場內布置9個探測鉆孔對圈定的低阻異常區進行探測，具體成果如圖4所示。

圖4 采空區探放水鉆孔布置示意

鉆孔封孔質量會直接影響探放水鉆孔疏排水效果，為確保探放水鉆孔可靠運行在孔口處安裝孔口管并進行封孔，封孔結構如圖5所示。圖5具體采用封孔技術措施為：

圖5 封孔結構示意(mm)

1) 探放水鉆孔封孔深度均為11 m，鉆孔鉆進11 m后，更換大直徑鉆孔進行擴孔確保擴孔后鉆孔孔徑達到130 mm，并清理干凈擴孔段煤屑。

2) 鉆孔擴孔后，安裝封孔器并在孔口管與鉆孔壁間的環形空間內安裝注漿軟管(孔徑18 mm)，軟管一端處于環形空間內，一端與注漿泵(型號ZBQ-27/1.5)連接，注漿材料選用XZFKL-I封孔材料(具備粘結效果好、凝固速度快以及滲透能力強等優點)。

3) 鉆孔完成封孔2 h后，對封孔段注入2 MPa清水進行耐壓試驗，耐壓時間保持30 min，期間不出現孔口竄動、煤壁滲水為合格。

2.2.3 超前鉆探安全技術措施

1) 在探放水鉆孔施工位置，需強化鉆場(巷道)煤壁、頂板支護強度，確保施工點安全。在探放水鉆孔施工前，在距離迎頭30～50 m位置布置水倉，在水倉內布置2套排水設備(一用一備)，將積水排放至中央水泵房，變巷道內積水。

2) 探放水鉆孔施工時應安排專業技術人員指揮，鉆孔施工應按照設計開孔位置、方位角、仰角以及孔深等進行，依據探測結果合理對老窯采空區積水位置以及積水量等進行判定。

3) 為確保探放水鉆孔施工安全，在鉆孔開孔位置處，布置控制閘閥、孔口管、鉆桿逆止閥以及測壓三通等附件。在鉆探期間，若發現鉆孔施工位置出現片幫，鉆孔出現水壓突然增大或者頂鉆等情況時，應停止鉆進且不能回拔出鉆桿，向地面調度中心及時匯報現場情況。在鉆進過程中，應準確記錄地層資料。

4) 在鉆孔鉆進期間，應安排瓦檢員按照要求對瓦斯濃度進行監測，若在探放水期間施工點CO、CH4等出現超標時，應立即停止鉆進并將作業人員回撤至安全點。

3 結 語

1) 1502運輸巷掘進前方存在的老煤窯開采采空區，采空區分布位置不詳且未能精準確定積水區范圍、積水量，給巷道掘進安全帶來一定威脅。采用瞬變電磁對掘進前方潛在的富水異常區進行探測，并使用鉆探方式進行驗證及超前疏排水，確保巷道掘進安全。在1502運輸巷掘進前方左幫側前方30～40 m、與巷幫間距20～30 m位置圈定有物探異常區；在距離異常區80 m處，布置鉆場并通過超前探測、疏排方式對潛在的富水區進行治理。

2) 現場應用后探放水鉆孔累積疏排老煤窯采空區積水約7 650 m3，通過超前疏排有效減少老煤窯采空區積水量。現場施工的疏排水鉆孔作為永久鉆孔施工，可及時對老煤窯采空區積水進行疏排，解決采空區積水給煤炭開采影響。