茍星奎
(內(nèi)蒙古阿拉善盟天榮煤炭有限責任公司,內(nèi)蒙古 烏海 016000)
現(xiàn)階段煤礦常用的水害探測技術(shù)有物探、鉆探兩類。鉆探可分為定向長鉆孔、常規(guī)探測鉆孔以及地面探測鉆孔等類型;物探根據(jù)探測原理可分為地震類、電磁法類、紅外探測以及電磁輻射探測等類型,其中煤礦應用最廣泛的物探技術(shù)為礦井地震法、瞬變電磁法以及直流電法等。上述各種物探方式均有其特點,在地質(zhì)件復雜情況下往往采取一種探測方法難以完成水害的精準探測。物探能實現(xiàn)異常區(qū)域圈定包括水害探測范圍的確定,結(jié)合對地質(zhì)資料分析,通過鉆探工程對異常區(qū)域全面探測,能夠?qū)Ξ惓^(qū)域?qū)崿F(xiàn)充分驗證,物探、鉆探綜合應用極大地提升探測精度,對提高煤礦井下水害探測效率具有一定的促進作用。兩探結(jié)合在五虎山煤礦010909 工作面水害治理過程中取得了良好的效果。
五虎山煤礦所在的烏達礦區(qū)屬于賀蘭山北段煤田,位于阿拉善地塊和鄂爾多斯地臺之間,巴音鄂博背斜東北部,屬地塊邊緣凹地煤田。
井田內(nèi)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造-烏達逆掩斷層的控制,斷層以逆斷層為主,正斷層次之,斷層多平行主體斷層-烏達逆掩斷層,呈南北向,井田南翼構(gòu)造復雜,斷層呈放射狀。井田內(nèi)褶皺平緩,多與斷層平行,相伴出現(xiàn),為伴生構(gòu)造。井田構(gòu)造主要受東西向壓應力而成。構(gòu)造對現(xiàn)在的安全生產(chǎn)影響較小,逆斷層多為封閉性斷層,導水性差,井田內(nèi)壓性構(gòu)造兩翼次生節(jié)理裂隙發(fā)育,直接破壞煤層頂?shù)装宓耐暾浴?/p>
五虎山煤礦010909 工作面為井田北翼9 層第五個回采工作面,工作面走向長度1500 m,切眼沿傾向布置,長度240 m。工作面上部有705、707、716、717、718、719采空區(qū),下部無采掘活動;東側(cè)為實體煤,西側(cè)為010907采空區(qū);南側(cè)為主要運輸大巷,北側(cè)為井田邊界,與黃白茨煤礦留有40 m 隔水煤柱。該工作面已施工了同層瓦斯抽放鉆孔,施工期間未見同層小井采空區(qū)。根據(jù)五虎山煤礦水文補勘報告顯示,礦區(qū)內(nèi)不受底板奧灰水威脅。
010909 工作面位于第Ⅴ含水帶,該含水帶含水性較弱。根據(jù)46 號勘探鉆孔分析,作業(yè)區(qū)內(nèi)9 煤頂板至8 煤底板平均層間距61 m,9 煤頂板至7 煤底板平均層間距86m,8 煤下部有K4 砂巖含水層。
根據(jù)地質(zhì)資料,巷道頂板至10 層煤底板多為頁巖及砂質(zhì)頁巖,富水性較弱,頂板向上51 m 處有砂巖(K4),電阻率為相對低阻;其余巖層電阻率為相對高阻。
五虎山煤礦現(xiàn)開采9、10、12 煤層中以往在9、10、12 層都開展過物探工作,分別是010907 工作面、010908工作面、010909、010910 工作面、011004 工作面、011206工作面。在以往的物探工程中,011206 工作面物性差異較為明顯,在工作面上部采空區(qū)、南側(cè)小窯及011204 采空區(qū)范圍圈定的低阻異常區(qū)均已鉆探驗證并出水,探測效果較好。
地球物理勘探(簡稱物探)是用物理方法找水、找礦的一種重要的地質(zhì)勘探手段。它是以地下巖(礦)石間存在物理性質(zhì)差異為基礎,用物探儀器觀測天然或人工物理場的分布,用以研究地質(zhì)構(gòu)造,尋找地下水源和礦產(chǎn),以及解決其他地質(zhì)問題的一門學科。 因地層不同巖層介質(zhì)在密度、彈性、導電性、磁性、放射性以及導熱性等方面存在差異,而這些差異會引起相應的地球物理場的局部變化。因此水文地質(zhì)勘探常用的物探方法對應的有電法、地震法、放射性法、地熱法、磁法以及重力法等。通過量測這些物理場的分布和變化特征,結(jié)合已知地質(zhì)資料進行分析,就可以達到推斷地質(zhì)性狀的目的。
目前解決煤礦井下水害類問題的物探方法以電法類為主,技術(shù)原理主要依據(jù)煤礦井下煤巖層及水體的電性差異,工作面上部采空區(qū)積水探測的勘探方法主要采用礦井瞬變電磁法和井下直流電法超前探測技術(shù),其中瞬變電磁法具有施工快速、探測方位較多以及對水敏感等優(yōu)點。煤礦瞬變電磁法常用的工作裝置形態(tài)有2 種,一是重疊回線,另一種是中心回線。重疊回線裝置對形成的水文地質(zhì)異常體響應強且施工方便,但收發(fā)線圈之間存在較強的互感效應,一次場影響嚴重;中心回線裝置線圈間互感效應小,消除了一次場影響,但二次場信號相對較弱,對水文地質(zhì)異常體識別不如重疊回線。因此煤礦井下掘進工作面常采重疊回線裝置進行超前瞬變電磁法探測,采用多匝數(shù)小回線測量裝置,裝置參數(shù)主要有回線邊長大小、回線匝數(shù)以及疊加次數(shù)等。一般在施工前可通過試驗加以確定。原則上根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況,能夠充分發(fā)揮儀器性能,有效地完成水文地質(zhì)探測任務,本次瞬變電磁探測使用中國地大華睿礦用瞬變電磁儀(YCS200A+YCS60-F),該儀器適用于井下含瓦斯、煤塵爆炸危險環(huán)境,用于探測工作面頂?shù)装搴途蜻M迎頭一定范圍內(nèi)的含導水構(gòu)造。
根據(jù)探測任務和現(xiàn)場施工條件,010909 工作面瞬變電磁法探測在010909 瓦斯治理巷、010909 上運輸順槽和010909 切眼施工,探測區(qū)域為工作面上部及同層范圍。
010909 瓦斯治理巷從1#導線點處布置第1 個測點,向南每10 m 間距布置下一測點,至5 號橫川處共計141 個測點;上運輸順槽從5 號導線點布置第1 個測點,向北每10 m 間距布置下一測點,至切口處共計128 個測點;切眼自下運口每10 m 布置1 個測點,共計23 個測點。
010909 瓦斯治理巷每個測點布置5 條測線,探測工作面上部7 層采空區(qū)及頂板含水層情況,第一測線方向記為0°,第二測線方向45°,第三測線方向75°,第四測線方向90°,第五測線方向105°;上運輸順槽每個測點布置6 條測線,探測工作面上部7 層采空區(qū)及同層010909 采空區(qū)內(nèi)部情況,第一測線方向記為0°,第二方向30°,第三方向75°,第四方向90°,第五方向165°,第六方向180°具體如圖1 所示;切眼每個測點布置4 條測線,探測工作面上部7 層采空區(qū)及井田邊界以北黃白茨煤礦采空區(qū)富水性,第一測線方向記為0°,第二方向30°,第三方向75°,第四方向90°具體如圖2 所示。
圖1 010909 工作面治理巷及上運輸順槽瞬變電磁法探測方向示意圖
圖2 010109 切眼瞬變電磁探測方向示意圖
通過本次010909 工作面瞬變電磁探測,結(jié)合各巷道視電阻率擬斷面圖圖對比分析,本次010909 工作面瞬變電磁探測綜合成果圖共圈出7 個低阻異常區(qū)(圖3),依次編號為YC1、YC2、YC3、YC4、YC5、YC6、YC7,現(xiàn)分述如下:
圖3 010909 工作面瞬變電磁探測綜合成果
YC1:根據(jù)010909 瓦斯治理巷物探結(jié)果分析,該異常為工作面上部718 采空區(qū)反映,且該范圍為718 采空區(qū)相對較低處,積水容易匯聚,該異常區(qū)已經(jīng)進行鉆探驗證,建議礦方加強鉆孔監(jiān)測。
YC2、YC3:根據(jù)010909 上運輸順槽物探成果分析,兩處異常視電阻率阻值相對較低,結(jié)合礦井采掘資料,推斷為相鄰的010907 采空區(qū)反映所致,010907 工作面2014年完成回采,采空區(qū)內(nèi)容易積水,目前兩處異常區(qū)已做鉆探放水,建議加強放水孔監(jiān)測工作。
YC4:根據(jù)010909 上運輸順槽物探成果分析,該異常區(qū)為上部705 采空區(qū)反映所致,礦方針對該異常已做過鉆探驗證,所打鉆孔均未出水;由于現(xiàn)場施工時巷道內(nèi)存在風筒、鐵軌等金屬設備,不排除該異常為環(huán)境干擾所致。
YC5、YC6:根據(jù)瓦斯治理巷及切眼物探成果分析,兩處異常區(qū)均為工作面上部717 采空區(qū)反映所致,YC6 號異常區(qū)位于717 采空區(qū)最低點,容易匯聚積水,且采空區(qū)形成年代久遠,建議針對兩處異常區(qū)進行鉆探驗證。
YC7:根據(jù)瓦斯治理巷及切眼物探成果分析,該異常區(qū)為工作面上部719 采空區(qū)反映所致,異常范圍在719 采空區(qū)最低點,采空區(qū)內(nèi)可能存在積水,建議鉆探驗證。
010909 工作面上部有7#煤層布置的中盤區(qū)705、707工作面采空區(qū)及五采區(qū)715、716、717、718、719 工作面采空區(qū);因上部6#煤層至7#煤層層間距約為2m,隨著7#煤層回采,上部6#煤層采空區(qū)垮落進而形成了聯(lián)通,因此進行7#煤層工作面采空區(qū)積水的探放,便能排除上部老空水害的威脅。根據(jù)勘探鉆孔資料顯示,9#層至7#層層間距約為80 米左右。上部采空區(qū)積水對工作面掘進造成水害威脅,在工作面回采前,須及時排除上部老空水害。
另外,根據(jù)物探成果表明,5 號異常區(qū)、6 號異常區(qū)、7 號異常區(qū)可能存在積水情況,并與上部717、719 工作采空區(qū)對應,上部采空區(qū)積水對工作面掘進造成水害威脅,須在工作面回采前,及時排除上部老空水害。
根據(jù)煤層間距推斷,預計010909 工作面上部7#層采空區(qū)積水壓力約為0.9MPa,010907 采空區(qū)積水水壓約為0.3MPa;老空水可通過封孔裝置直接放出。為了有效的控制放水量,需在孔口管上安裝閘閥,做到有效控制放水量。封孔管需安設壓力表,以便觀測水壓變化情況。
根據(jù)010908 工作面探放上部七、八層老空水資料顯示,上部老空水顯強酸性,因此本次探放水施工所用的材料應具有耐腐蝕性。探放水鉆孔封孔管長度不得小于10m,封孔后需做耐壓試驗,試驗壓力不小于預計水壓1.5 倍,并穩(wěn)定30min 以上無漏水為合格。鉆探驗證時,堅持“有疑必探”原則,結(jié)合物探成果,010909 工作面探放水鉆場位置在010909 下運輸順槽,探放的層位是上覆7#層717 工作面、719 工作面等采空區(qū)積水。
本次探測,鉆探孔深最大不超過150 m,據(jù)此,鉆探設備選用ZDY4000S 鉆機施工,使用94mm 的鉆頭開孔,鉆進11 m,將孔內(nèi)鉆屑沖洗干凈后用153 mm 的鉆頭進行擴孔,擴孔至11 m。并按照、每個鉆孔下止水套管不小于10 m,每節(jié)長1.25 m,絲扣長度0.1 m,每節(jié)之間絲扣連接。將108 mm 鋼制止水套管最后一根的管外壁用麻袋布包裹成錐形,麻袋上捆綁礦用合成樹脂袋搓揉塞入鉆孔內(nèi)??卓诠芡獗谥車c孔壁之間用礦用合成樹脂封閉,孔口管外露長度不小于200 mm,端部與108 mm 法蘭盤連接。
待孔口封閉凝固后,通過泥漿泵向孔內(nèi)注入水灰比為1 ∶1 攪拌好的水泥漿進行注漿固管,直至管外返出水泥漿即可停止注漿,等待凝固。侯凝48 h 后,用94 mm 的鉆頭進行掃孔至過孔底套管口1 m,進行清水耐壓試驗,試驗壓力不小于設計積水壓力1.5 倍,且持續(xù)時間不小于30 min。確??卓谔坠懿凰蓜?,孔口周圍不漏水、不滲水為合格,否則重新固管。套管耐壓試驗合格,安裝好閘閥后,使用94 mm 的鉆頭鉆進至終孔。完成一個鉆孔的探放水作業(yè)后,下一個鉆孔作業(yè)嚴格按照上述順序進行,直到所有鉆孔施工結(jié)束。
自2020 年10 月25 日早班開始施工,至2021 年11 月24 日中班結(jié)束。共施工探水鉆孔19 個,其中16 個鉆孔見七層采空區(qū),7 個鉆孔出水,9 個鉆孔無水,具體如下。
1#鉆場:共施工2 個鉆孔,1 號鉆孔施工至七層煤柱,未出水;補1 號鉆孔見七層采空區(qū),出水量很小,24 h 后停止出水。
2#鉆場:共施工2 個鉆孔。
3#鉆場:共施工4 個鉆孔,1 號孔施工至7 層實體中,但鉆孔出水,出水量6 m/h;2 號鉆孔見七層見空區(qū),出水量54 m/h;其他2 個鉆孔均見七層采空區(qū),無水。
4#鉆場:共施工6 個鉆孔,2 號孔、補4 鉆孔均見七層采空區(qū)并出水,出水量分別40 m/h、4 m/h,其他鉆孔均見七層采空區(qū),無水。
5#鉆場:共施工4 個鉆孔,2 號、補1 號鉆孔均見采空區(qū)并出水,出水量分別為45 m/h、12 m/h;3 號鉆孔見七層采空區(qū),無水;1 號鉆孔施工至53 m 處鉆桿斷裂。
通過物探施工解釋推算結(jié)果,圈定了7 個異常區(qū),結(jié)合礦方提供的結(jié)合礦井水文地質(zhì)資料及視電阻率等值線圖分析5 號異常區(qū)、6 號異常區(qū)、7 號異常區(qū)為上部717 采空區(qū)、719 采空區(qū)反應;并通過鉆探方法對010909 工作面上部采空區(qū)進行聚水情況進行探查、排放,確定在010909工作面上部上部717 采空區(qū)、719 采空區(qū)存有積水,且最大出水量分別為54 m3/h 和40 m3/h,驗證了物探劃定異常區(qū)的準確性,同時也實現(xiàn)了對工作面上方隱伏含水采空區(qū)的超前預報、排放,防止回采過程中的誤判而造成水災事故。
物探雖然不能完全準確的預測積水區(qū)域積水量及賦存形態(tài),但是能夠超前探測是否含水(積水),能給礦井開工前水害預防做好預測預報工作。ZDY4000 型全液壓坑道鉆的使用,在一定程度上能夠解決礦井積水區(qū)的探放水工作。通過采用物探與鉆探相結(jié)合的方法,對五虎山礦010909 工作面上部采空區(qū)積水進行了勘探,主要得出結(jié)論如下。
物探采用瞬變電磁法勘探技術(shù),對010909 上部采空區(qū)進行了勘查,通過數(shù)據(jù)解釋,識別了上部采空區(qū)的低阻異常區(qū),并結(jié)合地質(zhì)資料,劃定了可能存在采空積水的采空區(qū),為工作面水害治理提供了靶向治理的依據(jù)。
通過鉆探技術(shù),印證了工作面上部采空區(qū)存在積水,對物探結(jié)果和地質(zhì)資料的進行了補充、驗證,實現(xiàn)了“探”、“排”結(jié)合,達到工作面水害治理的最終目的,確保了礦井安全。
目前,由于“兩探”設備在驗證過程中受現(xiàn)場各種因素影響較多,因此在實踐過程中務必按照物探先行劃定異常區(qū)域,鉆探驗證物探成果的原則,并要積極積累實踐經(jīng)驗,科學分析“兩探”成果,保證精準有效地治理水害,以更好地服務煤礦安全生產(chǎn)工作。