老煤窑采空影响区掘进巷道超前探放水技术研究

康鹏飞，郭亚腾，裴 惠

(山西灵石银源兴庆煤业有限公司，山西 灵石 031300)

水害是制约矿井生产的不利因素之一，老煤窑积水则是导致矿井出现突水事故的主要原因之一，对老煤窑积水区进行超前探测并针对性对积水进行疏排，对提高矿井生产安全保障能力具有显著的促进意义[1-4]。超前探放水是矿井防治水工作开展的主要技术措施，对提高生产安全保障能力具有显著的促进意义[5-6]。通过增加探测钻孔长度以及布置密度等可实现富水区、采空区积水区探测，但是现场应用过程中存在探测针对性不强、成本高以及施工耗时长等问题[7-8]。山西某矿1502运输巷掘进期间会通过上覆小煤窑开采破坏区，受到小煤窑关闭时间长、生产资料遗失等多因素影响，小煤窑破坏区范围以及积水区范围等不确定，巷道掘进面临一定的涌水风险。为此，文中以1502运输巷掘进为工程背景，提出通过物探方式大致确定老煤窑采空区积水区范围，后通过钻探进行探测以及超前疏排，降低老煤窑采空区积水影响并确保后续掘进安全。

1 工程概况

山西某矿为资源整合矿井，井田内开采煤层包括有2号、3号、5号、9号、11号、13号等，层间距分别为53 m、25 m、78 m、126 m、101 m，井田煤层赋存稳定、储量丰富，地质构造不发育。浅部的2号、3号及5号煤层受小煤窑开采破坏影响明显，且开采破坏区区域分布范围不详细。2号煤层及3号煤层资源已回采殆尽，现生产主要集中在5号及9号煤层。

1502运输巷沿着开采的5号煤层底板掘进，5号煤层埋深深度均值为305 m，厚度3.2 m，赋存稳定、全区可采。1502运输巷掘进范围内可能存在有老煤窑采空区，且采空区内可能存在有积水，给巷道掘进带来一定威胁。具体大致确定的1502运输巷与老煤窑采空区位置关系如图1所示。为避免1502运输巷掘进期间误揭老煤窑采空区或者避免老煤窑采空区内积水向巷道掘进空间大量涌出问题出现，需要对掘进巷道前方进行针对性探测，以便实现巷道掘进安全。为此，文中就采用瞬变电磁法对掘进前方潜在的富水区进行探测，后通过超前探测方式进行钻探及疏排水，通过物探为钻探提供指导，以便更好地服务巷道掘进工作。

图1 1502运输巷与老煤窑采空区位置关系示意

2 超前探测技术

2.1 正常探测

1502运输巷正常掘进期间在掘进迎头布置7个探测钻孔，孔深均为70 m，钻孔施工用KHYD-75钻机，钻孔布置呈扇形。探测钻孔中1～4号钻孔开孔均与巷道顶板间距为1 500 mm，钻孔开孔间距均为800 mm，钻孔仰角统一为12°，水平角分别为-13°、0°、0°、13° ；5号～7号钻孔开孔与顶板间距为2 000 mm，钻孔仰角均为0°，水平角分别为-8°、0°及8°.超前探测钻孔施工完成并确保探测区域正常时，允许巷道掘进长度为40 m并预留30 m保护距离。具体超前探测钻孔布置如图2所示。

图2 探测钻孔布置图(mm)

2.2 靠近老煤窑影响区探测

2.2.1 瞬变电磁探测

瞬变电磁接地线圈或者不接地回线向探测区域内发送脉冲电流，通过激励探测目标体内感应二次电磁场，并在脉冲间歇期间采用接地电极或者线圈观测二次场随时间响应情况。在进行探测时，给发射线框提供直流电并迅速切断供电，线框内电流出现突变从而在线框附近形成一次脉冲磁场；该一次脉冲磁场又会产生涡流场，涡流场衰变又会产生衰变的二次磁场并随着时间推移逐渐向外部扩散。富水水体以及富水异常体往往具备有低电阻特性，而低电阻区时引起衰减较慢且场强较强的二次涡流场，含水性较少的高电阻区会产生衰减较快且场强较弱的二次涡流场[9-10]。瞬变电磁在煤矿井下富水区探测中广泛应用。

由于老煤窑开采资料大部分已遗失，难以精准地确定老煤窑采空区范围以及采空区内积水区位置，因此需要采用合理的技术措施确定积水区范围，以便后续超前探放水工作开展更趋针对性并指导巷道掘进工作。对现有的资料进行分析，发现老煤窑采空区处于5号煤层，在1502运输巷掘进迎头进行瞬变电磁探测并对探测成果进行解释，具体成果如图3所示。从探测结果看出，在1502运输巷左帮侧前方30～40 m、与巷帮间距20～30 m位置处存在有低阻异常区，该异常区分布位置与老窑采空区大致位置接近，应为后续探测重点区域。

图3 瞬变电磁勘探成果图

2.2.2 超前钻探

对瞬变电磁探测圈定的异常区采用超前钻探方式进行验证，具体确定的低阻异常区范围主要在靠近老煤窑采空区且标高较低位置，同时异常区部分位于掌握的老煤窑采空区边缘位置。在布置超前钻探钻孔时，应对确定的异常区进行针对性探测。物探确定异常区位于1502运输巷左帮侧前方30～40 m、与巷帮间距20～30 m位置，为确保巷道掘进以及钻孔钻进安全在距离圈定的异常区80 m位置，布置钻场并在钻场内布置9个探测钻孔对圈定的低阻异常区进行探测，具体成果如图4所示。

图4 采空区探放水钻孔布置示意

钻孔封孔质量会直接影响探放水钻孔疏排水效果，为确保探放水钻孔可靠运行在孔口处安装孔口管并进行封孔，封孔结构如图5所示。图5具体采用封孔技术措施为：

图5 封孔结构示意(mm)

1) 探放水钻孔封孔深度均为11 m，钻孔钻进11 m后，更换大直径钻孔进行扩孔确保扩孔后钻孔孔径达到130 mm，并清理干净扩孔段煤屑。

2) 钻孔扩孔后，安装封孔器并在孔口管与钻孔壁间的环形空间内安装注浆软管(孔径18 mm)，软管一端处于环形空间内，一端与注浆泵(型号ZBQ-27/1.5)连接，注浆材料选用XZFKL-I封孔材料(具备粘结效果好、凝固速度快以及渗透能力强等优点)。

3) 钻孔完成封孔2 h后，对封孔段注入2 MPa清水进行耐压试验，耐压时间保持30 min，期间不出现孔口窜动、煤壁渗水为合格。

2.2.3 超前钻探安全技术措施

1) 在探放水钻孔施工位置，需强化钻场(巷道)煤壁、顶板支护强度，确保施工点安全。在探放水钻孔施工前，在距离迎头30～50 m位置布置水仓，在水仓内布置2套排水设备(一用一备)，将积水排放至中央水泵房，变巷道内积水。

2) 探放水钻孔施工时应安排专业技术人员指挥，钻孔施工应按照设计开孔位置、方位角、仰角以及孔深等进行，依据探测结果合理对老窑采空区积水位置以及积水量等进行判定。

3) 为确保探放水钻孔施工安全，在钻孔开孔位置处，布置控制闸阀、孔口管、钻杆逆止阀以及测压三通等附件。在钻探期间，若发现钻孔施工位置出现片帮，钻孔出现水压突然增大或者顶钻等情况时，应停止钻进且不能回拔出钻杆，向地面调度中心及时汇报现场情况。在钻进过程中，应准确记录地层资料。

4) 在钻孔钻进期间，应安排瓦检员按照要求对瓦斯浓度进行监测，若在探放水期间施工点CO、CH4等出现超标时，应立即停止钻进并将作业人员回撤至安全点。

3 结 语

1) 1502运输巷掘进前方存在的老煤窑开采采空区，采空区分布位置不详且未能精准确定积水区范围、积水量，给巷道掘进安全带来一定威胁。采用瞬变电磁对掘进前方潜在的富水异常区进行探测，并使用钻探方式进行验证及超前疏排水，确保巷道掘进安全。在1502运输巷掘进前方左帮侧前方30～40 m、与巷帮间距20～30 m位置圈定有物探异常区；在距离异常区80 m处，布置钻场并通过超前探测、疏排方式对潜在的富水区进行治理。

2) 现场应用后探放水钻孔累积疏排老煤窑采空区积水约7 650 m3，通过超前疏排有效减少老煤窑采空区积水量。现场施工的疏排水钻孔作为永久钻孔施工，可及时对老煤窑采空区积水进行疏排，解决采空区积水给煤炭开采影响。