钻孔超前探水技术在井下掘进巷道中的应用研究_郝卫青.pdf

煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 我国煤炭主要以井下开采为主， 且赋存条件较为 复杂， 导致了煤矿开采效率不高， 安全事故频发。 井下 开采存在着熔岩空洞、 熔岩管道、 断层、 褶皱等复杂的 地质条件， 即使发生小规模的地质异变， 往往能够引 起较大的安全事故。针对这些地质异变情况， 如果前 期不能做出科学合理的探测预报， 就会直接影响后续 开采以及水害防止等工作， 甚至对煤矿安全高生产造 成重大影响[1]。 针对上述问题， 本文对钻孔超前探水技 术在掘进巷道中的应用进行了研究。 1煤矿地质及开采概况 1.1地表特征 针对矿区形成的采空区， 为了防止在矿井掘进过 程中发生突水和涌水等灾害进行预防， 需要对采空区 的积水量和积水范围进行详实的了解。 该工作矿区地 质结构较为复杂， 加之采空区和浅埋煤层的不规范开 采， 地面形成了大量开裂现象。 地表工程施工、 自然沟 壑以及原始资料的缺失， 对常规的电法手段探测手段 造成很大困难。 由于孔内物探法对地形的适应性更强， 可以对隐 患区进行更好的探测， 因此选用 YZT6 钻孔超前探水 物探仪对采空区积水进行探查[2]。 1.2采空区的分布特征 由于矿区内原有的小煤矿煤层露头周围存有大 量老硐， 且矿井基础设施陈旧， 支护简陋， 开采巷道长 度较短， 大部分在 100～300 m 范围内， 且垂直深度较 浅。由于开采中采用房柱式开采， 致使采空区在分布 较为凌乱， 且采空区大部分充水。 采空区孤立、 充水的 地质特征， 是选用钻孔超前物探仪另一个重要原因[3]。 1.3地层地质条件 该矿区的煤系地层电学性质特征表见表 1[4]。 2电法探测理论基础 2.1电阻率法理论分析 由于不同地质之间存在不同的电性差异，这种 差异就会造成人工稳定电流场的电场出现不同规律 的分布，电阻率法正是基于地质电性差异来研究地 质问题[5]。 钻孔超前探水技术在井下掘进巷道中的应用研究 郝卫青 （朔州煤电应急防控中心 ，山西 朔州 037000 ） 摘要 通过对钻孔超前探水技术原理进行分析， 得出该技术抗干扰能力强， 同时对微弱信号较为敏 感， 是一种较好的巷道超前探水方法。对矿井的回风槽应用 YZT6 钻孔超前探测仪进行了实际探测， 采用视极化率和视电导率两个参数进行隐患评估。探测数据结果表明， 掘进方向存在 3 处异常点， 分 析后推测，在中心半径 40m范围内， 2 孔 63m和 3 孔 45m处存在裂隙隐患区， 3 孔 59m处存在积 水采空区引起的联通异常体。 关键词 钻孔激发极化法 ； 超前探水 ； 积水采空区 ； 掘进巷道 中图分类号 TD166文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0001- 03 Research on the Application of Coal Mine Drilling Advanced Water Detecting Technology in Underground Drivage HAO Weiqing （Shuozhou Coal and Power EmergencyPrevention and Control Center， Shanxi Shuozhou 037000 China ） Abstract Analyzed the principle ofdrillingadvanced water detection technology, and knows that this technology has strong anti- interference ability and is sensitive to weak signals at the same time. It is a good for advanced water exploration in roadways. The YZT6 borehole advance detector was used to detect the air return groove of the mine, and the visual acuity and apparent electrical conductivity parameters were used for hidden danger assessment. The results of exploration data show that there are 3 abnormal points in the driving direction. It is assumed that in the range of 40m in the center radius, there is a hidden-hazardous area in 63m and 3 holes 45m in the 2 hole, and there is a water-accumulating gob in the 3rd hole 59m. Keywordsborehole induced polarization ； advance water detection ； water-accumulating gob ；excavation roadway 1 ChaoXing 名称电阻率 （欧.米 ）备注 砂岩10～103引用 泥岩10～102引用 石灰岩10～104引用 泥灰岩10～102引用 含水粘土0.5～10引用 含水卵石102～8102引用 白云岩1.5102～9103引用 潜水＜100引用 河水泵站压力引用 溶洞充水56- 952引用 无烟煤＜10引用 硫、 黄铁矿＜100引用 含水白云岩170～600引用 烟煤n102～n103引用 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 表 1煤系地层电学性质特征表 图 1探测原理图 图 1 所示为探测原理图， 假设四周均匀且各向同 性的半空间岩体的电阻率为 ρ1,掌子面为 P， 其前方为 一球体状的地下隐患， 球体内介质电阻率为 ρ2。当球 内介质为空气时， ρ2＞ρ1；介质为水或者泥沙时 ρ2＜ ρ1。 以球中心的电位为零电位， 则沿着电流场方向从 球外侧到球中心任意一点的电位可表达为下式 U 12 ρ2 - ρ 1 2ρ 2 ρ 1 r0 r [] j 0ρ1r （1 ） 式中 U 为任意点的电位， V； ρ1为为半空间岩体 的电阻率； ρ2为球体内介质电阻率； r0为掌子面前方 为球体状的地下隐患半径， m； r 为球体中心到观测点 间的距离， m； j0为均匀电流场的电流密度， A/m2。 电场强度 E 的表达式为 Ej0ρ1- 4 ρ2 - ρ 1 2ρ 2 ρ 1 r0 r j0ρ1（2 ） 电场强度异常百分比的表达式为 PE4 ρ2 - ρ 1 2ρ 2 ρ 1 r0 r 2100（3 ） 在电法勘探中，地下空间任何点的电场强度 E 与视电阻率 ρs间的关系式为 ρsE j0 （4 ） 从上式可以看出，任一点的电场强度 E 可以通 过视电阻率来进行描述， 同样， 电场强度的异常变化 率也可通过视电阻率异常变化率进行体现[6]。 假如球状异常体内介质为水， 即储水隐患， 异常 球体半径为 5m， 探测电流密度为 0.1m A/m2， 围岩电 阻率为 1000Ω m， 探测距离从距球心 100m 处开始， 不断靠近球体。可以计算出电场强度， 具体如图 2 所 示， 可以看出随着距离不断接近球体中心， 电场强度 不断增大， 越靠近球体中心处， 电场强度增长越快[7]。 图 2低阻体 2.2煤矿钻孔超前探水技术原理 钻孔超前探水技术主要是在煤矿巷道沿着掘进 方向进行钻孔， 将测量探头缓慢深入孔底， 对钻孔周 围以及孔底 30m 范围内进行探测预报，从而实现钻 孔全方位超前探水功能。 选用的探测仪器可以通过电 导率法和激发极化法同步进行， 通过对采集的探测数 据进行处理和分析， 最终对富水体等有害地质进行有 效的探测预报。该方法多频点同时发射， 等频点同时 接收的特点， 具有很强的抗干扰能力， 同时对微弱信 号较为敏感， 是一种较好的巷道超前探水方法。 3钻孔超前物探技术探测应用与效果 3.1钻孔参数的选择 图 3钻孔布置图 试验中选用 YZT6 钻孔超前探水仪对工作面 2206 回风顺槽进行探测，有效探测距离为 100m， 孔 径为 60mm；点距为 1m。根据前期探测资料显示， 2206 回风顺槽上部约 45m没有发现水患现象。但是 因为回风顺槽存上部在积水， 有必要对上部空区进行 探放水工作， 明确积水范围和积水量。钻场位置设置 在回风巷掘进头处， 4 个探水孔中， 1- 3为试验孔， 4 2 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 为验证孔。 1孔沿着掘进面方向， 倾角为 0， 深度为 60m； 2孔与 1孔夹角 15，深度为 70m； 3孔与 1 孔夹角 30， 深度为 70m； 4孔与 1孔夹角 45， 深 度为 71m。具体位置如图 3 所示。 3.2勘探效果分析 本试验采用 YZT6 专用钻孔超前探水设备， 主要 用视电导率和视极化率两个参数作为探水效果评价 数据。图 4 所示为 1 孔试验探测数据图， 从图可以 看出， 1孔在倾角 0方向，沿着掘进方向 49m 内， 视电导率和视极化率曲线整体变化趋势较为平稳， 没有出现突变较大的峰值， 说明在 1孔周围 40m 左 右范围内， 沿着掘进方向 49m 段没有出现异常的地 质隐患。 图 41孔探测数据图 图 5 所示为 2试验探测数据图， 从图可以看出， 在钻孔倾角 15方向， 0～60 m深度范围内， 视电导率 和视极化率曲线整体变化趋势较为平稳， 没有出现突 变较大的峰值，说明在 2孔轴心半径 40m左右范围 内， 沿着掘进方向 60m 段没有出现异常的地质隐患。 但是当掘进深度至 63m 左右时，视极化率出现剧烈 变化， 同时视电导率也明显增大， 说明此段存在地质 隐患， 推测周边存在裂隙导致的低租异常隐患。 图 52孔探测数据图 图 6 所示为 3孔试验探测数据图，从图可以看 出， 视极化率在孔深 45m、 59m处出现两次明显峰值。 在 45m处， 视极化率变化的同时， 视电导率也出现较 小的同步变化， 推辞在 45m 处存在一定量的裂隙水； 在 59m处视极化率发生较大变化，但同时视电导率 数据平稳且数值较低，推测在孔深 59m 处可能存在 含水体， 建议在该位置进行进一步的探水钻孔措施。 图 63 孔探测数据图 4结语 本文分析了电法探测的探测原理，并对矿井的 2206 回风槽应用 YZT6 钻孔超前探测仪进行了实际 探测。 采用视极化率和视电导率两个参数进行隐患评 估。 探测数据结果表明， 掘进方向存在 3 处异常点， 具 体为 2 孔 63m 处， 3 孔 45m 和 59m 处。分析后推 测， 在中心半径 40m 范围内， 2 孔 63m 和 3 孔 45m 处存在裂隙导致的低租异常体， 3 孔 59m 处存在采 空区或者冒落区引起的含水体可能性较大。 参考文献 [1] 中国工程院项目组. 中国能源中长期发展战略研究[M]. 煤炭洁净煤节能战略卷. 北京科学出版社,2011228- 256. 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