CN114000827B - 一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，包括以下步骤：(1)施工钻孔；(2)钻孔孔口端封孔；(3)向钻孔内高压注水；(4)瞬态电磁场实时监测；(5)水流量、压力变化观测；(6)参数计算；(7)判定是否有陷落柱；(8)陷落柱注浆治理。采用本发明的方法在矿井中探测陷落柱不会产生遗漏，避免井下施工作业存在安全隐患，安全可靠，技术可行，经济合理，探测过程快捷有效，能及时有效的探查陷落柱并进行治理，切实保证井下施工作业的安全。

Description

一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法
技术领域
本发明涉及一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，属于矿井防治陷落柱水害技术领域。
背景技术
陷落柱，俗称“无炭柱”，《岩溶学词典》解释为岩溶陷落柱，是埋藏型岩溶区的地下溶洞的顶部岩层及覆盖层失去支撑，发生塌陷所形成的上小下大的锥状陷落体，是我国煤矿开采过程中常见的构造型导水通道。由于陷落柱的破坏，生产矿井煤炭储量损失高达15％～30％，使井田内储量大大减少，同时降低采掘效率，提高了生产成本，甚至造成缩短矿井服务年限和巷道提前报废。在我国矿山揭露的陷落柱中，绝大多数是不含导水的，有些也只是有少量淋滴水，很快就会疏干，不少矿区采煤工作面强行通过陷落柱，也未出现突水事故。但是，从上世纪六十年代以来，相继发生了多起陷落柱突水事件，因陷落柱导水而发生淹井或淹采区，对煤矿生产产生了极大的安全威胁和经济损失。
陷落柱危害严重，但陷落柱探查十分困难，主要原因在于，陷落柱的分布不同于含水层、断层等，可以说是毫无规律性可言。特别是一些发育不规律或半径较小的导水陷落柱，采掘过程中一旦影响到这种导水陷落柱，会引发灾难性事故。
目前对陷落柱的探查，主要以井下掘进过程中边掘边探为主要方法。在“煤矿防治水细则”中，详细规定了巷道超前探查陷落柱的钻探要求：探查陷落柱等垂向构造时，应当同时采用物探、钻探两种方法，根据陷落柱的预测规模布孔，但底板方向钻孔不得少于3个，有异常时加密布孔，其探放水设计由煤矿总工程师组织审批。但是未对陷落柱超前探查孔间距进行明确要求，存在漏查的风险。
因此，目前迫切需要一种既能保证不会出现遗漏，又能快捷有效地探查并治理陷落柱的方法，切实保证井下施工作业安全。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，对井下陷落柱的探测无遗漏，探测方便快捷，有效预防陷落柱危害，保证矿井作业安全。
为了实现上述目的，本发明采用的一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，包括以下步骤：
(1)施工钻孔：在巷道迎头按巷道将掘进的方向施工一个钻孔，钻孔深度不小于100m；
(2)钻孔孔口端封孔：在已施工好的钻孔中预留一注水管，注水管长度不小于50m，然后在距钻孔开口处后端25～35m位置封孔；
(3)向钻孔内高压注水：将注水管接上阀门、流量表和压力表，然后接上注水设备，打开注水设备向钻孔内注水，具体压力数值根据岩层的强度和地应力的大小确定；
(4)瞬态电磁场实时监测：注水的同时进行瞬态电磁场的实时监测，通过电磁场响应幅值与方位的解译，追踪注入水在煤岩体中的流动轨迹，通过力学及地球物理耦合方法，准确判定陷落柱的形态、方向及其充水性；
(5)观测水流量、压力变化：注水过程中观察流量表和压力表的示数变化，绘制相应的曲线图；
(6)参数计算：根据以上资料，首先得到试验段的透水率：
试验段透水率采用下式计算：
Figure BDA0003339961030000021
式中，q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q为试验段孔壁渗漏流量，L/min；P为试验段压力，MPa；
同时，可以计算：
Figure BDA0003339961030000022
式中，K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；H为试验水头，m；L为试验段长度，m；r0为钻孔半径，m；
根据公式(2)计算出的岩体渗透系数K；
(7)判定是否有陷落柱：如果流量表示数突然增大，同时压力表示数突然减小，表明前方存在陷落柱，停止注水，通过钻孔进行探查及注浆治理；如果注水过程中流量表示数变化不大，压力表示数保持不变，表明前方为完整岩层，不存在陷落柱；
(8)陷落柱治理：当探测到存在陷落柱时，卸去注水设备，可以进一步利用该钻孔对陷落柱进行探查，并将注水管作为注浆管，对陷落柱进行注浆治理。
进一步的，所述步骤(2)中距钻孔开口处后端30m位置封孔。
进一步的，所述步骤(2)中封孔采用化学浆液、水泥浆加水玻璃或采用物理方法封孔。
进一步的，所述步骤(3)中注水压力不小于10MPa。
进一步的，所述步骤(3)中注水设备为高压水泵。
进一步的，所述步骤(4)中瞬态电磁场监测与注水过程同步进行。
进一步的，所述步骤(5)中流量表和压力表同时观测。
本发明的压力渗流原理是：利用高压水泵向钻孔内注入高压水流，渗入到煤系地层中，同时进行瞬态电磁场的实时监测，通过电磁场响应幅值与方位的解译，追踪注入水在煤岩体中的流动轨迹；当岩层中存在陷落柱时，由于陷落柱内部的水压力远低于高压水，高压水突破陷落柱周边岩层，大量流入陷落柱内，导致注水管上流量表示数突然增大，压力表示数迅速减小；反之，若注水过程中流量表示数变化不大，压力表示数保持不变，则证明无陷落柱存在；根据观测的压力及流量参数可以计算岩体透水率及渗透系数，通过力学及地球物理耦合方法，准确判定陷落柱的形态、方向及其充水性；利用注水钻孔可以进一步对陷落柱进行探查及治理。
采用本发明的方法在矿井中探测陷落柱不会产生遗漏，避免井下施工作业存在安全隐患，安全可靠，技术可行，经济合理，探测过程快捷有效，能及时有效的探查陷落柱并进行治理，切实保证井下施工作业的安全。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明的探查示意图；
图3为实施例1终孔前20-16m段注水试验流量变化情况；
图4为实施例1终孔前20-16m段注水试验水压变化情况；
图5为实施例1终孔前12-8m段注水试验流量变化情况；
图6为实施例1终孔前12-8m段注水试验水压变化情况；
图7为实施例1中瞬态电磁场响应特征成果对比图；图中(a)完整岩层瞬态电磁场响应特征，(b)巷道底板松动圈岩层瞬态电磁场响应特征；
图中：1、煤层，2、陷落柱，3、高压水泵，4、流量表，5、法兰盘，6、钻孔，7、注水管，8、压力表，9、水桶，10、瞬变电磁物探设备，11、物探线圈，12、电磁波。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
结合图1、图2所示，一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，包括以下步骤：
(1)施工钻孔：在巷道迎头按巷道将掘进的方向施工一个钻孔6，钻孔6深度不小于100m；
(2)钻孔孔口端封孔：在已施工好的钻孔6中预留一注水管7，注水管7长度不小于50m，然后在距钻孔开口处后端25～35m位置封孔；
(3)向钻孔内高压注水：将注水管7通过法兰盘5接上阀门、流量表4和压力表8，然后接上注水设备，打开注水设备向钻孔6内注水，具体压力数值根据岩层的强度和地应力的大小确定；
(4)瞬态电磁场实时监测：注水的同时进行瞬态电磁场的实时监测，通过电磁场响应幅值与方位的解译，追踪注入水在煤岩体中的流动轨迹，通过力学及地球物理耦合方法，准确判定陷落柱的形态、方向及其充水性；
(5)水流量、压力变化观测：注水过程中观察流量表4和压力表8的示数变化，绘制相应的曲线图；
(6)参数计算：根据以上资料，首先得到试验段的透水率：
试验段透水率采用下式计算：
Figure BDA0003339961030000051
式中，q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q为试验段孔壁渗漏流量，L/min；P为试验段压力，MPa；
同时，可以计算：
Figure BDA0003339961030000052
式中，K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；H为试验水头，m；L为试验段长度，m；r0为钻孔半径，m；
根据公式(2)计算出的岩体渗透系数K；
(7)判定是否有陷落柱：如果流量表4示数突然增大，同时压力表8示数突然减小，表明前方存在陷落柱2，停止注水，通过钻孔6进行探查及注浆治理；如果注水过程中流量表4示数变化不大，压力表8示数保持不变，表明前方为完整岩层，不存在陷落柱2；
(8)陷落柱治理：当探测到存在陷落柱2时，卸去注水设备，进一步利用该钻孔6对陷落柱进行探查，并将注水管7作为注浆管，对陷落柱2进行注浆治理。
作为实施例的一种改进，所述步骤(2)中距钻孔开口处后端30m位置封孔。
作为实施例的一种改进，所述步骤(2)中封孔采用化学浆液、水泥浆加水玻璃或采用物理方法封孔。
作为实施例的一种改进，所述步骤(3)中注水压力不小于10MPa。
作为实施例的一种改进，所述步骤(3)中注水设备为高压水泵3。
作为实施例的一种改进，所述步骤(4)中瞬态电磁场监测与注水过程同步进行。
作为实施例的一种改进，所述步骤(5)中流量表4和压力表8同时观测。
实施例1
按照图1、图2所示的工艺流程，在安徽省皖北煤电集团任楼煤矿-720水平进行采掘作业时，采用本发明的方法进行陷落柱探测作业，具体包括以下几个步骤：
(1)在任楼煤矿7324S工作面附近，具体地点选择该工作面接近收作线位置-720北大巷中施工六个注水探查钻孔，钻孔深度均为120m；
(2)钻孔6完成后在孔中预留一注水管7，注水管7长度为70m，然后在距钻孔开口处后端约30m位置用水泥水玻璃注浆封孔，使注水管7固定在钻孔6内，确保向钻孔6内注入高压水时，不会在钻孔6开口处发生渗漏，影响对陷落柱2的判断；
(3)将注水管7通过法兰盘5接上阀门、流量表4和压力表8，然后接上高压水泵3，打开高压水泵3将水桶9中的水注入钻孔6内，根据-720北大巷围岩的强度和地应力的大小，同时考虑到底板奥灰水压力，最终选择注水压力最大为10MPa，钻孔6内水流与陷落柱2内部存在压力差，此时若岩层中钻孔内水渗透至煤层1中的陷落柱2，由于水压差的存在，使岩层中产生裂缝，钻孔6内水流大量涌入陷落柱2，通过注水管7上流量表4、压力表8的示数变化，准确有效的判定陷落柱2的存在；
(4)在注水过程中通过瞬变电磁物探设备10上的物探线圈11，沿着钻孔6方向实时探测，通过电磁场响应幅值与方位的解译，追踪注入水在煤岩体中的流动轨迹；
(5)注水过程中观察流量表4和压力表8的示数变化，绘制相应的曲线图，流量表4和压力表8要同时观测，只有当流量表4快速增加、压力表8示数快速降低，才表明钻孔6附近存在陷落柱2，通过力学及地球物理耦合方法，准确判定陷落柱的形态、方向及其充水性，探测结果更精确，有效保障井下作业安全；
具体的：
在对煤矿中的151钻孔进行注水探查过程中，通过对比分析完整岩层和底抽巷道底板松动圈岩层注水过程压力、流量变化及电磁响应特征，可以发现当前方存在底抽巷巷道时，压力显著下降，流量显著增加，且岩层瞬态电磁场监测成果(如图7所示)显示该区域岩层为相对低阻，而完整地层压力和流量呈现出完全相反的现象，探查结果相对可靠；
当试段位于地下水位以下时，水利部发布的《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31—2003)提供了以下公式计算岩体的渗透系数：
Figure BDA0003339961030000061
式中K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；H为试验水头，m；L为试段长度，m；r0为钻孔半径，m。
根据注水试验数据计算出不同注水层段的渗透系数如下。
(1)终孔前20-16m段注水试验
表1终孔前20-16m段渗透系数K计算结果
试验水头 水压 流量(m3/d) 试段长度(m) 钻孔半径(m) 渗透系数(m/d)
3100 3.1 11.96811 4 0.076 0.007157238
3500 3.5 14.361732 4 0.076 0.007607122
4200 4.2 13.67784 4 0.076 0.006037398
5900 5.9 12.993948 4 0.076 0.004082918
6500 6.5 13.67784 4 0.076 0.003901088
8300 8.3 14.703678 4 0.076 0.003284199
9500 9.5 14.703678 4 0.076 0.002869353
10300 10.3 15.38757 4 0.076 0.002769583
结合表1、图3和图4所示，在以最小流量注水的情况下，水压随着时间的增长而增加，并且能达到10Mpa，渗透系数较小，说明此段岩石阻水性能较好，未遭到明显破坏。
(2)终孔前12-8m段注水试验
表2终孔前12-8m段渗透系数K计算结果
试验水头 压力 流量(m3/d) 试段长度(m) 钻孔半径(m) 渗透系数(m/d)
400 4 11.96811 4 0.076 0.00554686
4600 4.6 17.0973 4 0.076 0.006890509
4900 4.9 13.67784 4 0.076 0.005174913
5100 5.1 15.38757 4 0.076 0.005593472
5400 5.4 17.0973 4 0.076 0.005869693
5900 5.9 17.0973 4 0.076 0.005372261
5600 5.6 23.93622 4 0.076 0.007924085
4900 4.9 30.77514 4 0.076 0.011643554
4800 4.8 29.06541 4 0.076 0.011225787
4800 4.8 27.35568 4 0.076 0.010565447
4800 4.8 30.77514 4 0.076 0.011886128
4900 4.9 27.35568 4 0.076 0.010349826
4800 4.8 30.77514 4 0.076 0.011886128
4900 4.9 29.749302 4 0.076 0.011255435
4800 4.8 30.433194 4 0.076 0.01175406
结合表2、图5和图6所示，随着流量的逐渐增大，水压维持在5Mpa上下，未能增大至10Mpa，说明此时此段岩层已经遭到破坏，渗透系数明显增大；
(6)采掘施工作业时，在任楼煤矿-720北大巷中先后进行了6次钻孔探测，分别测试完整地层、巷道、断层等不同条件下的水压力和流量变化情况，当前方存在导水构造或巷道时，压力显著下降，流量显著增加，而完整地层压力和流量呈现出完全相反的现象，形成了可靠的超前探查陷落柱技术，保证矿井采掘作业安全。

Claims (4)

1.一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)施工钻孔：在巷道迎头按巷道将掘进的方向施工一个钻孔，钻孔深度不小于100m；
(2)钻孔孔口端封孔：在已施工好的钻孔中预留一注水管，注水管长度不小于50m，然后在距钻孔开口处后端25～35m位置封孔；
(3)向钻孔内高压注水：将注水管接上阀门、流量表和压力表，然后接上高压水泵，打开高压水泵以不小于10MPa的压力向钻孔内注水，具体压力数值根据岩层的强度和地应力的大小确定；
(4)瞬态电磁场实时监测：注水的同时进行瞬态电磁场的实时监测，瞬态电磁场监测与注水过程同步进行，通过电磁场响应幅值与方位的解译，追踪注入水在煤岩体中的流动轨迹，通过力学及地球物理耦合方法，准确判定陷落柱的形态、方向及其充水性；
(5)水流量、压力变化观测：注水过程中流量表和压力表的示数变化，绘制相应的曲线图；
(6)参数计算：根据以上资料，首先得到试验段的透水率：
试验段透水率采用下式计算：
Figure FDF0000025202050000011
式中，q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q为试验段孔壁渗漏流量，L/min；P为试验段压力，MPa；
同时，可以计算：
Figure FDF0000025202050000012
式中，K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；H为试验水头，m；L为试验段长度，m；r0为钻孔半径，m；
根据公式(2)计算出的岩体渗透系数K；
(7)判定是否有陷落柱：如果流量表示数突然增大，同时压力表示数突然减小，表明前方存在陷落柱，停止注水，通过钻孔进行探查及注浆治理；如果注水过程中流量表示数变化不大，压力表示数保持不变，表明前方为完整岩层，不存在陷落柱；
(8)陷落柱治理：当探测到存在陷落柱时，卸去注水设备，进一步利用该钻孔对陷落柱进行探查，并将注水管作为注浆管，对陷落柱进行注浆治理。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，其特征在于，所述步骤(2)中距钻孔开口处后端30m位置封孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，其特征在于，所述步骤(2)中封孔采用化学浆液、水泥浆加水玻璃或采用物理方法封孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力渗流原理及电磁响应特征的陷落柱探查方法，其特征在于，所述步骤(5)中流量表和压力表同时观测。
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