CN114562331B - 同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法 - Google Patents
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- CN114562331B CN114562331B CN202210201041.1A CN202210201041A CN114562331B CN 114562331 B CN114562331 B CN 114562331B CN 202210201041 A CN202210201041 A CN 202210201041A CN 114562331 B CN114562331 B CN 114562331B
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Abstract
本发明公开了一种同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，包括确定物探异常区；确定目标靶区；开始在采区内掘进巷道，利用瞬变电磁法和高密度直流电法探查巷道迎头前方老空富水异常区；根据探查结果疏放老空水；待工作面巷道系统形成后，在巷道内利用音频电透视技术探查工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区分布情况，利用无线电波透视技术探查工作面内煤层和构造的发育情况；工作面回采过程中采取超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，全面保障工作面实时安全回采。本发明充分利用了底板破坏带裂隙疏放老空水，为工作面安全回采奠定了透明地质保障，排除老空水害威胁，实现了超前、高效、安全、精准、实时、无盲区治理老空水。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下防治水技术领域，尤其涉及一种同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法。
背景技术
中国是世界上最大的煤炭生产国，煤炭开采过程中常伴随瓦斯、煤尘、水、火和顶板5大灾害。针对老空水害问题1、阳泉矿务局和中国的NUDP项目在国内首次提议使用井下定向钻进技术，山西亚美大宁能源有限公司首次利用定向钻机成功疏放老空水。2、时晓、刘军利用空气潜孔锤跟管钻进工艺、反循环钻进技术探放老空水。3、李泉新、方俊、李子豪、曹主军、杨茂林等利用定向钻孔疏放老空水。4、薛国强、解海军、刘朋、于景邨、牟义、梁庆华、张本军、李文、闫长斌、李玉宝、段东、韩德品、程增庆、石刚、王东等采用地面和井下瞬变电磁、直流电法、探地雷达及无线电坑透等技术探测老空水，强调了井下物探方法优化组合的重要性。5、罗周全、陈立新、余乐文等利用三维激光探测系统对采空区进行精密探测。6、武强、靳德武等指出先钻探后物探的钻物探一体化探测技术，充分吸收了钻探和物探的优点。7、陆斌提出一种基于孔间地震密集动态探测的透明工作面方法。
陈建生提出不探明、不放净、不回采的老空水防治对策，钻孔布设坚持以透积水区的最低点为主。郭彦华对老空水害防治措施进行了等级划分。魏里阳提出待积水疏放完后，在已施工的探放水孔孔口安装压力表，以便及时发现老空区再次积水的情况。冯科技提出“物探先行-钻探疏放-巷探验证”的治理方案。1、王东、徐良才、张清鸿等提出建设防水闸门、防隔水煤柱和构筑防透墙的治理方法。2、倪向忠提出老空水防治包括资料收集、物探、钻探、水源判断、区别治理老空水、建立完善的排水系统6方面工作。3、赵金龙、刘军应用水质分析验证老空水是否疏放完毕。4、柴振军、王毅武、杨旭、闫明、张家峰、姬中奎、张永、乔宁等提出疏放上部老空水的技术。5、陈苏社采取在小窑泄水点附近巷道施工挡水人工坝体，在坝体上引出管路以利用。6、崔芳鹏、武强等分析了大兴煤矿、王家岭煤矿老窑透水事故的特征和形成机理。7、罗立平、孙魁、康显强、魏里阳等针对老空积水清晰的情形，从“充水水源、充水通道、聚水空间”三方面研究了老空水的形成机制，认为老空水多是由多种充水水源形成。8、发明专利CN111140279B公开了一种厚煤层上分层受小窑破坏老空水防治方法，利用地面、井下物探-常规钻孔-定向钻孔相结合防治老空水，实现了超前、远距离截引迎头老空水。9、发明专利 CN110609335A公开了一种基于多手段的残采区复杂条件探测方法，通过多种物探手段综合探测对比分析，实现残煤区积水情况精确探测。10、发明专利CN201810250858.1公开了基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法，将物探探查出的老空区范围作为定向钻孔的设计依据，利用定向钻孔探查老空区横向、轴向、垂向范围。
我国专家学者和工程技术人员在老空水害防治技术(钻探、物探、化探)、装备方面已取得了显著的成绩，形成了“查明、探清、放净、管控”的治理模式，执行“不探明、不放净、不回采”的防治对策，认识到防治老空水的根本方法是探放老空水。探查手段主要采用物探、钻探、化探、巷探等。探查流程为物探先行，钻探、巷探结合化探验证疏放老空水，也实现了先钻探后物探，充分利用孔间、孔内物探探查。防治措施主要为疏排法和隔离法。有学者提出多种物探手段优化组合探查老空水技术，亦有同一厚煤层上分层受小窑破坏利用常规钻孔结合定向钻孔治理迎头前方老空水，虽取得了一定的成绩，但未开展工作面内部、回采过程中的老空水治理，导致矿井安全生产仍潜在一定的老空水害威胁。针对整合矿井同一厚煤层受小窑破坏造成无序分布的老空区，治理此类老空水害一直是水害防治的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，该方法避免了双巷掘进造成较高的时间和经济成本，充分利用了底板破坏带裂隙疏放老空水，为工作面安全回采奠定了透明地质保障，排除了老空水害威胁，实现了超前、高效、安全、精准、实时、无盲区治理老空水。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定采区老空水赋存的物探异常区；采取地面电法类、地震类物探方法探查老空区的分布位置和富水性，将采区老空水赋存的物探异常区作为煤矿井下定向钻孔的目标靶区；
步骤二、依据步骤一确定的煤矿井下定向钻孔的目标靶区，根据煤矿井下定向钻机的钻进性能和采掘规划，在已有巷道或在采区低位施工措施巷布置钻场；所述钻场内的钻孔孔口标高低于所述目标靶区的标高，利用煤矿井下长距离近水平定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进以超前疏放物探已查明的老空水，所述定向钻孔的轨迹应在老空区底板破坏带的范围内钻进，视疏放水情况再次调整钻孔轨迹或侧钻开分支进入老空区继续疏放水；
步骤三、待工作面内老空物探异常区探放明晰后，开始在采区内掘进巷道，利用瞬变电磁法和高密度直流电法探查巷道迎头前方老空富水异常区；
步骤四、若步骤三探查结果表明巷道迎头前方无老空富水异常区，则在巷道迎头成组布设探放水常规钻孔以进行钻探验证，且对每个钻孔进行单点测斜，并利用巷道掘进超前探测保障系统对比实钻轨迹与设计轨迹的误差；若误差较大，存在探查盲区，则利用巷道掘进超前探测保障系统自动增加探查钻孔；若钻探验证无异常，则允许巷道掘进，按照探水-掘进- 探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水；
步骤五、若步骤三中探查结果表明巷道迎头前方存在老空富水异常区，则按照步骤四中的常规钻孔方式探查，或利用巷道掘进超前探测保障系统根据钻孔探查揭露老空区以及钻孔涌水情况构建老空区三维空间形态，依据老空区三维空间形态增加探查钻孔，若钻孔出现涌水，亦或步骤四中钻探验证出现涌水，当钻孔涌水量较小，且衰减较快，判断为静储量时，则采用常规钻孔继续疏放老空水，并视水量衰减情况，在疏放水过程中采取物探和钻探多次相互验证，若物探和钻探均无异常，则巷道可安全掘进，按照探水-掘进-探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水害，若仍有异常区，则再次利用常规钻孔和物探多次相互验证探查，直至排除异常；
步骤六、若步骤五中常规钻孔疏放水量长期稳定，水头长时间无法下降，说明老空水存在动态补给，此时采取在采区低位利用远距离定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进至老空区以截引老空动态补给水源，待定向钻孔成功进入老空区后，利用定向钻孔和常规钻孔共同疏放老空水，且疏放水过程中仍采取多次物探和钻探相互验证，分析多次物探结果的强富水异常叠加区的面积变化，直至巷道迎头的常规钻孔涌水量和水压均降为0时，再次采取物探探查巷道迎头前方的强富水异常区，通过对比多次不同疏放水阶段的物探强富水异常区面积变化，综合钻探和物探结果，确保巷道迎头前方老空水彻底疏放干净，则再次按照步骤三到步骤六正常掘进巷道，即按照探水-掘进-探水循环作业的方式实时治理老空水，直至巷道系统形成；
步骤七、待工作面巷道系统形成后，在巷道内利用音频电透视技术探查工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区分布情况，利用无线电波透视技术探查工作面内煤层和构造的发育情况；
步骤八、针对步骤七中探查的物探富水异常区和地质异常区设计物探验证常规钻孔，此类钻孔设计为全覆盖物探异常区，且均须测量钻孔轨迹，确保无盲区探查；
步骤九、待巷道系统形成后，自工作面切眼至停采线，每间隔20m设计一组钻孔，钻孔设计自标高相对低的巷道钻进至标高相对高的巷道，即钻孔设计贯穿整个工作面，每组设计5个钻孔，其中1个钻孔沿煤层倾角钻进，以探查下分层老空区，另外4个钻孔平面上分别间隔50m探查上分层老空区，终孔位置设计为煤层顶板，5个钻孔贯穿整个工作面，实现全覆盖探查；通常全覆盖探查钻孔和步骤八中的物探验证钻孔同时设计、施工，以充分利用钻孔；
步骤十、待工作面内老空水完全探放明晰后，工作面开始回采，回采过程中采取超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，全面保障工作面实时安全回采。
其利用定向钻孔结合多种物探技术远距离超前疏放已知位置的老空水；利用巷道掘进超前探测保障系统，多次物探结合常规钻孔-定向钻孔治理巷道迎头前方的老空水；利用多种物探结合常规钻孔全覆盖工作面探查技术治理工作面内的老空水；利用超前短探、超前预判、巷探以及疏放动态老空水技术治理工作面回采过程中的老空水。避免了双巷掘进造成较高的时间和经济成本，充分利用了底板破坏带裂隙疏放老空水，为工作面安全回采奠定了透明地质保障，排除了老空水害威胁，实现了超前、高效、安全、精准、实时、无盲区治理老空水。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤二中所述长距离定向钻孔采用钻孔轨迹为套管段、直孔段、造斜段、稳斜段、造斜段、稳斜段的6段式弧形结构，所述钻孔轨迹先钻进至老空区底板破碎带层位，利用底板破碎裂隙先行疏放老空水，待孔内涌水量降低为0时，依据钻孔疏放水结果初步判断老空区位置和积水量，之后再次利用定向钻具配套宽翼片螺旋钻具正常或侧钻开分支钻进至老空区内部以疏放水。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤四中所述钻探验证方法是依据《煤矿防治水细则》要求，在巷道迎头布置常规钻孔，钻孔孔径为Φ75mm，钻孔角度以正值为主，钻遇顶板或老空区终孔，一般设计孔深100m，钻孔超前距为30m。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤四中所述若钻探验证无异常，则允许巷道掘进，所述若钻探验证包括超前短探，所述超前短探是每循环布置9个小孔径钻孔，利用便于运输的微型钻机施工，有效探测距离为13m，实际以钻孔的最短孔深作为有效探测距离，超前距离为5m，单次可掘进距离为8m，单次总可掘距离为70m。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤五中所述若物探和钻探均无异常，则巷道可安全掘进，巷道单次可掘距离为常规钻孔出现涌水或者揭露老空区的最短探查距离。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤六中所述水位无法下降、疏放水量达到动态平衡时，将地面和井下物探强富水异常区叠加的区域作为定向钻孔的靶区，选取迎头涌水量最大的常规钻孔(即水头最高的钻孔)终孔位置作为定向钻孔的靶点。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述超前短探是待巷道和工作面内老空水治理完成后，工作面开始回采，回采期间利用微型钻机自工作面煤壁垂直向工作面正前方进行超前短探，以探查老空区并疏放老空区低洼处的微量积水；超前短探单次探查距离为15m，保持超前距离5m，可采距离10m；超前短探钻孔设计为A循环和B循环，A循环间隔10m设计1组钻孔，每组设计2个钻孔，钻孔均向正前方钻进，其中1号钻孔设计为钻进至煤层顶板终孔，2号钻孔沿煤层正前方钻进，所有钻孔均以最短孔深作为有效探测距离；工作面安全回采10m后，开始B循环探查，B循环亦为间隔10m设计1组钻孔，与A循环间隔5m交错探查，可避免形成盲区，亦可提高探查和回采效率。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述超前预判技术，即重点关注物探富水异常区，结合老空巷揭露情况，回采过程中随时观察煤壁挂汗、渗水等老空透水征兆，若发现透水征兆，则立即停止采煤，利用钻机探放煤壁前方的老空水，直到排除所有异常，再次启动采煤，可采距离仍为超前短探的最短有效距离。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述巷探技术，即工作面全覆盖探查受钻孔密度和孔斜等因素影响，利用常规钻孔疏放老巷内的积水可能无法疏放干净，因此，回采过程中若揭露老巷，在确保安全的前提下，查清老巷的位置及积水情况，可通过调查老巷排水，尽可能消除老空水害隐患。
上述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述疏放动态老空水技术，即随着工作面回采，疏放水钻孔受采动影响，出现塌孔堵塞钻孔的情形，造成老空水水位和水量上升，再次对工作面回采造成威胁，因此，随着工作面回采，特采取向老空动态补给方向施工常规钻孔或定向钻孔疏放老空水，亦或向采空区埋设钢管等引流老空水，避免水位和水量再次上升。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的定向钻孔轨迹是顺煤层底板先钻进至老空区底板破碎带层位，利用底板破碎裂隙先行疏放老空水，可依据定向钻孔疏放水结果初步判断老空区位置和积水量，为再次利用定向钻具配套宽翼片螺旋钻具钻进至老空区内部提供依据，顺煤层底板稳定钻进的定向钻孔轨迹避免了本煤层老空区或局部煤层破碎易造成卡钻、塌孔的情形，提高了定向钻孔的成孔率，充分利用了底板破坏带裂隙和定向钻孔，降低了老空区煤渣等堵塞钻孔的可能性。
2、本发明采用的巷道掘进超前探测保障系统可直观对比设计轨迹与实钻轨迹误差，可依据钻孔探查揭露老空区以及钻孔涌水情况构建老空区三维空间形态，依据老空区三维空间形态增加探查钻孔，从而更加全面准确地分析老空区积水情况。
3、本发明采用的巷道掘进超前短探技术，利用便于运输的微型钻机施工小孔径超前短探钻孔，方便快捷，亦实时保证了巷道安全掘进，彻底疏放了巷道前方低洼处的静态零星老空水。
4、本发明采用的物探验证常规钻孔，实现了工作面内物探富水异常区和地质异常区的全覆盖探查，消除了老空水威胁，亦为安全回采提供了地质信息，为矿井安全高效生产节约了时间。
5、本发明采用的工作面全覆盖探查钻孔，钻孔设计自标高相对低的巷道钻进至标高相对高的巷道，钻孔密度大，实现了工作面双巷之间全覆盖探查，基本消除了工作面内的老空水威胁，且全覆盖探查钻孔和物探验证钻孔同时设计、施工，实现了充分利用钻孔。
6、本发明采用的工作面回采过程中采取4种边采边探技术，即超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，实现了全面保障工作面实时安全回采。
下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为常规探放水钻孔设计图。
图2为钻孔轨迹、巷道、顶板和老空区三维示意图。
图3为定向钻孔探查疏放老空区原理图。
图4为定向钻孔结构图。
图5为巷道掘进超前短探钻孔设计图。
图6为常规钻孔全覆盖探查平面设计图。
图7为常规钻孔全覆盖探查剖面设计图。
图8为工作面回采常规钻孔超前短探设计图。
图9为同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治技术体系。
图10为井田四邻关系图。
图11为老空水分布示意图。
图12为主运巷440m处探查结果。
图13为主运巷658m处探查结果。
图14为101工作面常规钻孔全覆盖探查图。
具体实施方式
下面结合受小窑破坏的整合矿井为例对本发明内容进行进一步说明。
矿井为资源整合而成，主采的2#煤层平均厚度6m，该煤层上分层或全层不同程度被小煤窑破坏，由于小煤窑采掘工艺落后，采掘资料缺乏，导致老空积水无序分布，致使整合矿井实时安全生产深受老空水害制约。其中，101工作面巷道掘进老空水防治通常采用物探结合常规钻孔探放老空水，导致巷道掘进效率低下，且时有老空水淹没迎头设备的情形，严重制约矿井安全高效生产，为确保巷道实时安全掘进、工作面实时安全回采，消除老空水害隐患，采用如图9所示的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治技术体系。
本发明的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法在掌握井田水文地质条件，煤层开采历史，老空水大致分布规律的情况后，包含如下步骤：
步骤一、确定采区老空水赋存的物探异常区；采取地面电法类、地震类物探方法探查老空区的分布位置和富水性，将采区老空水赋存的物探异常区作为煤矿井下定向钻孔的目标靶区；
步骤二、依据步骤一确定的煤矿井下定向钻孔的目标靶区，考虑煤矿井下定向钻机的钻进性能和采掘规划，在已有巷道或在采区低位施工措施巷以布置钻场，钻场内的钻孔孔口标高低于所述目标靶区的标高，定向钻孔的孔径、钻孔结构同李晓龙的发明专利CN111140279B，如图4和图5 所示，利用煤矿井下长距离近水平定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进以超前疏放物探已查明的老空水，所述定向钻孔的轨迹应首先在老空区底板破坏带合理范围内钻进，即利用底板破坏裂隙先行疏放水，待孔内涌水量降低为0时，依据钻孔疏放水结果初步判断老空区位置和积水量，视疏放水情况再次利用定向钻具配套宽翼片螺旋钻具调整钻孔轨迹或侧钻开分支钻进至老空区内部继续疏放水；
步骤三、待工作面内老空物探异常区探放明晰后，开始在采区内掘进巷道，利用瞬变电磁法和高密度直流电法探查巷道迎头前方老空富水异常区；
步骤四、若步骤三探查结果表明巷道迎头前方无老空富水异常区，则依据《煤矿防治水细则》在巷道迎头成组布设探放水常规钻孔以进行钻探验证，且对每个钻孔进行单点测斜，并利用巷道掘进超前探测保障系统对比实钻轨迹与设计轨迹的误差。若误差较大，存在探查盲区，则利用巷道掘进超前探测保障系统自动增加探查钻孔；若钻探验证无异常，则允许巷道掘进，但为了实时保证巷道安全掘进，彻底疏放巷道前方低洼处的静态零星老空水，提出了巷道掘进超前短探技术。超前短探每循环布置9个小孔径钻孔，利用便于运输的微型钻机施工，有效探测距离为13m，实际以钻孔的最短孔深作为有效探测距离，超前距离为5m，单次可掘进距离为 8m，单次总可掘距离为《煤矿防治水细则》规定的70m。按照探水-掘进- 探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水；
步骤五、若步骤三中探查结果表明巷道迎头前方存在老空富水异常区，则按照步骤四中的常规钻孔方式探查，也可利用巷道掘进超前探测保障系统根据钻孔探查揭露老空区以及钻孔涌水情况构建老空区三维空间形态，依据老空区三维空间形态增加探查钻孔，若钻孔出现涌水，亦或步骤四中钻探验证出现涌水，当钻孔涌水量较小，且衰减较快，判断为静储量时，则采用常规钻孔继续疏放老空水，并视水量衰减情况，在疏放水过程中采取物探和钻探多次相互验证，若物探和钻探均无异常，则巷道可安全掘进，巷道单次可掘距离为常规钻孔出现涌水或者揭露老空区的最短探查距离，按照探水-掘进-探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水害，若仍有异常区，则再次利用常规钻孔和物探多次相互验证探查，直至排除异常；
步骤六、若步骤五中常规钻孔疏放水量长期稳定，水头长时间无法下降，说明老空水存在动态补给，此时将地面、井下多次物探强富水异常叠加区作为定向钻孔的靶区，将涌水量最大的常规钻孔，即水头最高的点作为靶点，采取在采区低位利用远距离定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进至靶点以截引老空动态补给水源，定向钻孔的设计施工参数、工艺技术同步骤二，待定向钻孔成功进入老空区后，利用定向钻孔和常规钻孔共同疏放老空水，且疏放水过程中仍采取多次物探和钻探相互验证，分析多次物探结果的强富水异常叠加区的面积变化，直至巷道迎头的常规钻孔涌水量和水压均降为0时，再次采取物探探查巷道迎头前方的强富水异常区，通过对比多次不同疏放水阶段的物探强富水异常区面积变化，综合钻探和物探结果，确保巷道迎头前方老空水彻底疏放干净，则再次按照步骤三到步骤六正常掘进巷道，即按照探水-掘进-探水循环作业的方式实时治理老空水，直至巷道系统形成；
步骤七、待工作面巷道系统形成后，在巷道内利用音频电透视技术探查工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区分布情况，利用无线电波透视技术探查工作面内煤层和构造的发育情况。
步骤八、针对步骤七中探查的物探富水异常区和地质异常区设计物探验证常规钻孔，此类钻孔设计为全覆盖物探异常区，且均须测量钻孔轨迹，确保无盲区探查。
步骤九、待巷道系统形成后，自工作面切眼至停采线，如图6和图7 所示，每间隔20m设计一组钻孔，钻孔设计自标高相对低的巷道钻进至标高相对高的巷道，即钻孔设计贯穿整个工作面，每组设计5个钻孔，其中 1个钻孔沿煤层倾角钻进，以探查下分层老空区，另外4个钻孔平面上分别间隔50m探查上分层老空区，终孔位置设计为煤层顶板，5个钻孔贯穿整个工作面，实现全覆盖探查。通常全覆盖探查钻孔和步骤八中的物探验证钻孔同时设计、施工，以充分利用钻孔。
步骤十、待工作面内老空水完全探放明晰后，工作面开始回采，回采期间利用微型钻机自工作面煤壁垂直向工作面正前方进行超前短探，以探查老空区并疏放老空区低洼处的微量积水。如图8所示，超前短探单次探查距离为15m，保持超前距离5m，可采距离10m。超前短探钻孔设计为 A循环和B循环，A循环间隔10m设计1组钻孔，每组设计2个钻孔，钻孔均向正前方钻进，其中1号钻孔设计为钻进至煤层顶板终孔，2号钻孔沿煤层正前方钻进，所有钻孔均以最短孔深作为有效探测距离。工作面安全回采10m后，开始B循环探查，B循环亦为间隔10m设计1组钻孔，与A循环间隔5m交错探查，可避免形成盲区，亦可提高探查和回采效率。采取超前短探的同时，重点关注物探富水异常区，结合老空巷揭露情况，回采过程中随时观察煤壁挂汗、渗水等老空透水征兆，若发现透水征兆，则立即停止采煤，利用钻机探放煤壁前方的老空水，直到排除所有异常，再次启动采煤，可采距离仍为超前短探的最短有效距离。回采过程中若揭露老巷，在确保安全的前提下，查清老巷的位置及积水情况，可通过调查老巷排水，尽可能消除老空水害隐患。随着工作面回采，疏放水钻孔受采动影响，出现塌孔堵塞钻孔的情形，造成老空水水位和水量上升，再次对工作面回采造成威胁，特采取向老空动态补给方向施工常规钻孔或定向钻孔疏放老空水，亦或向采空区埋设钢管等引流老空水，避免水位和水量再次上升。综上，回采过程中采取超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，可全面保障工作面实时安全回采。
本发明解决了某矿101工作面老空水害制约巷道掘进和安全回采的难题，保障了矿井实时安全生产，在矿井的具体实施过程如下：
1、巷道掘进老空水防治工程
(1)地面综合物探工程
101工作面回采前，在地面开展了三维地震和瞬变电磁勘探，查明了工作面内有大面积强富水异常区，预计积水量13.8×104m3，积水面积17.64 ×104m2，占工作面面积的68.36％。
(2)井下多元化综合治理老空水工程
1)辅运巷老空水治理工程
辅运巷长度1200m，巷道掘进用时1.8a，平均掘进效率1.8m/d，采取多次物探结合常规钻孔探放水技术和超前短探技术确保巷道掘进实时安全，共计探放水30次，单次探放水最长47天，单次探放水钻孔数量最多 35个，单次可掘进距离最短5m，最长70m。图11可看出，辅运巷老空区分布相对较少，与实际掘进情况较相符，掘进过程中揭露下分层老巷9处，探放水钻孔多表现为见空和卡钻，出水钻孔较少，巷道已安全形成。
2)主运巷老空水治理工程
101工作面主运巷长度1200m，图9可看出主运巷老空积水严重，巷道掘进用时2.7a，掘进效率低下，共计探放水33次，单次探放水最长7 个月，单次探放水钻孔数量最多45个，单次可掘进距离最短5m，最长70m，常规探放水钻孔最大涌水量为108m3/h。主运巷掘进至277m遇到老空动态补给水，直到440m一直采取多次物探结合常规钻孔探放水技术，自277m掘进至440m用时1.5a，平均掘进效率0.3m/d，可见老空水严重制约巷道高效安全掘进。主运巷440m处、658m处水位和水量长期无法下降，随之在440m处和658m处采取多次物探结合常规钻孔和定向钻孔治理老空水，大幅提高了巷道掘进效率。
a.主运巷440m处老空水治理工程
主运巷440m处井下瞬变电磁和高密度直流电法勘探均显示迎头左前方存在老空积水，随之施工了21个探放水常规钻孔，编号为1～16、B1～B5，其中B5钻孔涌水量最大，为16.7m3/h，个别钻孔仅有微量渗水，可见老空区分布零散、孤立，连通不明。两个月内主运巷一直处于停掘疏放水阶段，钻孔总涌水量长期稳定为36m3/h，水压为0.3MPa，疏放水效果不佳。两个月后再次进行瞬变电磁和高密度直流电法勘探以对比疏放水效果(图12)，探查成果显示较强富水区在左前方叠加尤为显著，加之较强富水区内有4个钻孔出水，且B5钻孔在此区域，故可确定左前方富水性较强，随之在措施巷向东施工了5个常规钻孔截引迎头水，即B17～B21，截引效果不佳(图12)。
疏放水6个月后，选择在标高低于老空水位34m的位置布置1号定向钻孔，将B5钻孔作为靶点，将较强富水叠加区作为靶区，本着避免钻遇煤层和下分层老巷的原则，开孔倾角设计为负角度，钻孔结构设计为6段式弧型结构，沿煤层底板以下砂泥岩地层稳定钻进，自老空区底部大角度斜穿老空区，既可疏放下分层老巷内的老空水，又能提高成孔率，亦可实现钻遇老空区后下行侧钻开分支探查。1号定向钻孔最终以孔深526.4m钻进至老空区，初始涌水量为134m3/h，远大于B5钻孔的涌水量，稳定涌水量89m3/h，共疏放老空水3.6×104m3，疏放水效果明显优于常规钻孔，疏放水过程中适当通孔可避免煤渣堵塞钻孔(表1)。疏放水17d后，常规钻孔已不出水，可再次安全掘进，说明在主运巷北侧存在相互联通的老空积水区，之后用时6个月采取多次物探结合常规钻孔探放水技术安全掘进至658m，平均掘进效率为1.2m/d，掘进效率提高了4倍，可见定向钻孔已成功钻进至老空区底部，有效截引了老空水。
表1定向钻孔参数
b.地面物探异常区老空水治理工程
依据地面三维地震和瞬变电磁勘探成果，结合主运巷老空水治理经验，认为工作面东北方向存在动态补给老空水，特在井巷低位提前布置2号定向钻孔沿煤层底板以下砂泥岩地层钻进至物探异常区，最终以孔深585m 钻进至老空区，钻孔初始涌水量65m3/h，共疏放老空水3.93×104m3(图 12)。亦在低位设计了4号和4-1号定向钻孔提前探查物探异常区，均钻进至老空区，但老空区内无积水(图11、图12)。
c.主运巷658m处老空水治理工程
主运巷658m处井下瞬变电磁勘探显示迎头左前方和右侧存在大面积老空水(图13)，且在地面物探异常区范围内，随之施工常规探放水钻孔 28个，9个钻孔出水，其中8号钻孔涌水量最大为108m3/h，疏放水15 天后，涌水量衰减至50m3/h，之后在左侧施工了17个常规探放水钻孔，2 个钻孔出水，其中4号钻孔涌水量最大为68.85m3/h，此时8号钻孔涌水量骤减为0.6m3/h，可见4号钻孔有效截引了8号钻孔的老空动态补给水。右侧的17号钻孔初始涌水量为78m3/h，继续补充疏放水钻孔加快放水进度，疏放水8天后，钻孔涌水量衰减至0.2m3/h，分析认为右前方老空积水与左前方老空积水区域未联通，呈孤岛状态，再次利用常规钻孔验证，发现仅在低洼点处残留少量老空积水，呈无压自流状态，距巷帮80m，对巷道掘进无影响。
疏放水20天后，4号钻孔涌水量仍无法下降，因此将位于物探富水异常区内的4号常规钻孔作为靶点，将1号物探富水异常区作为靶区，特在井巷标高更低点设计3号定向钻孔沿煤层底板以下砂泥岩地层稳定钻进至老空区低洼处截引老空水，最终以孔深699m钻进至老空区，涌水量为67m 3/h，此时4号钻孔涌水量骤减为0.1m3/h。疏放水5天后，再次进行瞬变电磁和直流电法勘探，发现1号物探异常区面积明显减小了63％，说明定向钻孔自低位截引老空水取得了非常好的效果，同时3号物探异常区消失，再次验证该积水区为孤岛型，易疏放。但是巷道正前方探查出2号物探富水异常区，随之采取多个常规钻孔验证，均未出水。为了加快1号富水异常区的疏放水进度，特在3号钻孔内侧钻开分支3-1、3-2钻孔，均钻进至老空积水区，孔深分别为690m、741m，涌水量分别为63m3/h、73m3/h，分析认为左前方老空区空间狭小且连续，继续疏放水15天后，所有常规钻孔已不出水，可再次安全掘进，3号定向钻孔共计疏放老空水4.53×104m 3，此处探放水共计用时44天。通过3号定向钻孔治理老空水后，采取多次物探结合常规钻孔探放水技术用时5.6个月完成主运巷贯通，平均掘进效率为2.6m/d，掘进效率提高了9倍。
3)切眼老空水治理工程
切眼长度215m，图11可看出切眼东北部老空水害严重，切眼掘进过程中采取多次物探结合常规钻孔探放水技术，共计探放水9次，平均每21m 探查一次，掘进共计用时9个月，平均掘进效率为0.8m/d，掘进速度非常滞缓，单次探放水最长用时34天，单次探放水施工钻孔数量最多58个，单次可掘进距离最短6m，最长50m，单个钻孔最大涌水量为20m3/h。切眼掘进过程中发现在东北方向存在老空动态补给水，特设计5号定向钻孔截引老空水，但钻孔在600m处钻进至煤层，发生卡钻事故，造成切眼掘进效率严重滞缓。
主运巷和切眼交叉处瞬变电磁和直流电法勘探显示东北方向存在异常区，随之在东北方向布置了17个常规探放水钻孔，2个钻孔出水，其中 +8号钻孔涌水量71.3m3/h，+4号钻孔涌水量53m3/h(图11)，老空积水区距切眼约20m，疏放水1个月后，水量无法衰减，因此将涌水量最大的 +8号钻孔作为靶点，将物探富水异常区作为靶区，在标高更低点利用远距离定向钻孔截引老空水，特设计6号定向钻孔沿煤层底板以下砂泥岩地层稳定钻进至老空区低洼处截引老空水，最终以孔深670m钻进至老空区，涌水量为40m3/h，此时+8号钻孔涌水量骤减为13m3/h，+4号钻孔涌水量骤减为0，达到了补排平衡。通过6号定向钻孔疏放老空水39.25×104m3，确保了切眼后续安全掘进。5号和6号定向钻孔平面距离仅为50m，但5 号钻孔进入煤层，6号钻孔进入老空区，可看出老空区联通复杂，分布无序。
2、工作面内部老空水防治工程
据老窑调查资料和井下勘查分析认为工作面内部老巷高度一般为 2.2m，老空区普遍存在煤层顶板砂岩裂隙水补给和残留的老窑生产用水，因此工作面内部可能存在“孤岛”型静态老空水，为确保工作面安全回采，需全覆盖探查工作面内部老空水。
在主运巷和辅运巷开展顶、底板音频电透视和无线电波透视探测，探测长度1200m，探测结果表明上分层有2个较强富水异常区，工作面内有 1个断层，3处老空区。
针对富水异常区探测结果，在主运巷设计并施工物探验证常规钻孔37 个，其中探查下分层老空区钻孔9个，探查上分层老空区钻孔23个，探查顶板砂岩富水性钻孔5个，在辅运巷设计并施工物探验证常规钻孔18 个(图14)。
针对地质异常区，在主运巷朝工作面内设计并施工43组地质探查孔，每组间隔20m，考虑探查孔的探查结果，每组3～4个钻孔，设计钻孔平面轨迹最长200m。在辅运巷设计并施工51组钻孔，每组1个钻孔，设计钻孔平面长度一般为30m。在切眼设计并施工2组钻孔，每组4个钻孔，设计钻孔平面最长为100m。这些地质钻孔实现了工作面全覆盖探查，为工作面安全通过老空区提供了地质保障(图14)
3、工作面回采过程中老空水防治
工作面回采过程中，严格执行超前短探，回采至61m和347m处，超前短探发现煤壁前方低洼处残留老空积水，加密补充了超前短探钻孔，将残留积水彻底疏放，确保了安全回采。随着工作面回采，顶底板岩层出现“三带”破坏现象，为了确保主运巷和切眼交汇处的+8号钻孔长期稳定疏放老空动态补给水，伴随工作面回采，特在此处埋设无缝钢管延伸至巷道外侧，工作面回采13个月后，无缝钢管的涌水量仍然约30m3/h，目前工作面已安全回采了850m，解放煤炭资源1.37Mt。
由此，本发明的优点在于：
定向钻孔轨迹是顺煤层底板先钻进至老空区底板破碎带层位，利用底板破碎裂隙先行疏放老空水，可依据定向钻孔疏放水结果初步判断老空区位置和积水量，为再次利用定向钻具配套宽翼片螺旋钻具钻进至老空区内部提供依据，顺煤层底板稳定钻进的定向钻孔轨迹避免了本煤层老空区或局部煤层破碎易造成卡钻、塌孔的情形，提高了定向钻孔的成孔率，充分利用了底板破坏带裂隙和定向钻孔，降低了老空区煤渣等堵塞钻孔的可能性。
巷道掘进超前探测保障系统可直观对比设计轨迹与实钻轨迹误差，可依据钻孔探查揭露老空区以及钻孔涌水情况构建老空区三维空间形态，依据老空区三维空间形态增加探查钻孔，从而更加全面准确地分析老空区积水情况。
巷道掘进过程中利用便于运输的微型钻机施工小孔径超前短探钻孔，方便快捷，亦实时保证了巷道安全掘进，彻底疏放了巷道前方低洼处的静态零星老空水。
物探验证常规钻孔实现了工作面内物探富水异常区和地质异常区的全覆盖探查，消除了老空水威胁，亦为安全回采提供了地质信息，为矿井安全高效生产节约了时间。
工作面全覆盖探查钻孔设计自标高相对低的巷道钻进至标高相对高的巷道，钻孔密度大，实现了工作面双巷之间全覆盖探查，基本消除了工作面内的老空水威胁，且全覆盖探查钻孔和物探验证钻孔同时设计、施工，实现了充分利用钻孔。
工作面回采过程中采取4种边采边探技术，即超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，实现了全面保障工作面实时安全回采。
以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、确定采区老空水赋存的物探异常区；采取地面电法类、地震类物探方法探查老空区的分布位置和富水性，将采区老空水赋存的物探异常区作为煤矿井下定向钻孔的目标靶区；
步骤二、依据步骤一确定的煤矿井下定向钻孔的目标靶区，根据煤矿井下定向钻机的钻进性能和采掘规划，在已有巷道或在采区低位施工措施巷布置钻场；所述钻场内的钻孔孔口标高低于所述目标靶区的标高，利用煤矿井下长距离近水平定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进以超前疏放物探已查明的老空水，所述定向钻孔的轨迹应在老空区底板破坏带的范围内钻进，视疏放水情况再次调整钻孔轨迹或侧钻开分支进入老空区继续疏放水；
步骤三、待工作面内老空物探异常区探放明晰后，开始在采区内掘进巷道，利用瞬变电磁法和高密度直流电法探查巷道迎头前方老空富水异常区；
步骤四、若步骤三探查结果表明巷道迎头前方无老空富水异常区，则在巷道迎头成组布设探放水常规钻孔以进行钻探验证，且对每个钻孔进行单点测斜，并利用巷道掘进超前探测保障系统对比实钻轨迹与设计轨迹的误差；若误差较大，存在探查盲区，则利用巷道掘进超前探测保障系统自动增加探查钻孔；若钻探验证无异常，则允许巷道掘进，按照探水-掘进-探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水；
步骤五、若步骤三中探查结果表明巷道迎头前方存在老空富水异常区，则按照步骤四中的常规钻孔方式探查，或利用巷道掘进超前探测保障系统根据钻孔探查揭露老空区以及钻孔涌水情况构建老空区三维空间形态，依据老空区三维空间形态增加探查钻孔，若钻孔出现涌水，亦或步骤四中钻探验证出现涌水，当钻孔涌水量较小，且衰减较快，判断为静储量时，则采用常规钻孔继续疏放老空水，并视水量衰减情况，在疏放水过程中采取物探和钻探多次相互验证，若物探和钻探均无异常，则巷道可安全掘进，按照探水-掘进-探水循环作业的方式治理巷道掘进过程中的老空水害，若仍有异常区，则再次利用常规钻孔和物探多次相互验证探查，直至排除异常；
步骤六、若步骤五中常规钻孔疏放水量长期稳定，水位长时间无法下降，说明老空水存在动态补给，此时采取在采区低位利用远距离定向钻孔顺煤层底板自下而上钻进至老空区以截引老空动态补给水源，待定向钻孔成功进入老空区后，利用定向钻孔和常规钻孔共同疏放老空水，且疏放水过程中仍采取多次物探和钻探相互验证，分析多次物探结果的强富水异常叠加区的面积变化，直至巷道迎头的常规钻孔涌水量和水压均降为0时，再次采取物探探查巷道迎头前方的强富水异常区，通过对比多次不同疏放水阶段的物探强富水异常区面积变化，综合钻探和物探结果，确保巷道迎头前方老空水彻底疏放干净，则再次按照步骤三到步骤六正常掘进巷道，即按照探水-掘进-探水循环作业的方式实时治理老空水，直至巷道系统形成；
步骤七、待工作面巷道系统形成后，在巷道内利用音频电透视技术探查工作面内及煤层顶底板岩层内的富水区分布情况，利用无线电波透视技术探查工作面内煤层和构造的发育情况；
步骤八、针对步骤七中探查的物探富水异常区和地质异常区设计物探验证常规钻孔，此类钻孔设计为全覆盖物探异常区，且均须测量钻孔轨迹，确保无盲区探查；
步骤九、待巷道系统形成后，自工作面切眼至停采线，每间隔20m设计一组钻孔，钻孔设计自标高相对低的巷道钻进至标高相对高的巷道，即钻孔设计贯穿整个工作面，每组设计5个钻孔，其中1个钻孔沿煤层倾角钻进，以探查下分层老空区，另外4个钻孔平面上分别间隔50m探查上分层老空区，终孔位置设计为煤层顶板，5个钻孔贯穿整个工作面，实现全覆盖探查；全覆盖探查钻孔和步骤八中的物探验证钻孔同时设计、施工，以充分利用钻孔；
步骤十、待工作面内老空水完全探放明晰后，工作面开始回采，回采过程中采取超前短探、超前预判、巷探和疏放动态老空水技术，全面保障工作面实时安全回采。
2.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤二中所述长距离近水平定向钻孔采用钻孔轨迹为套管段、直线段、弯曲段、直线段、弯曲段、直线段的6段式弧形结构，所述钻孔轨迹先钻进至老空区底板破碎带层位，利用底板破碎裂隙先行疏放老空水，待孔内涌水量降低为0时，依据钻孔疏放水结果初步判断老空区位置和积水量，之后再次利用定向钻具配套宽翼片螺旋钻具正常或侧钻开分支钻进至老空区内部以疏放水。
3.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤四中所述钻探验证方法是依据《煤矿防治水细则》要求，在巷道迎头布置常规钻孔，钻孔孔径为Φ75mm，钻孔角度以正值为主，钻遇顶板或老空区终孔，设计孔深100m，钻孔超前距为30m。
4.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤四中所述若钻探验证无异常，则允许巷道掘进，所述若钻探验证包括超前短探，所述超前短探是每循环布置9个小孔径钻孔，利用便于运输的微型钻机施工，有效探测距离为13m，实际以钻孔的最短孔深作为有效探测距离，超前距离为5m，单次可掘进距离为8m，单次总可掘距离为70m。
5.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤五中所述若物探和钻探均无异常，则巷道可安全掘进，巷道单次可掘距离为常规钻孔出现涌水或者揭露老空区的最短探查距离。
6.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤六中所述水位无法下降、疏放水量达到动态平衡时，将地面和井下物探强富水异常区叠加的区域作为定向钻孔的靶区，选取迎头涌水量最大的常规钻孔终孔位置作为定向钻孔的靶点。
7.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述超前短探是待巷道和工作面内老空水治理完成后，工作面开始回采，回采期间利用微型钻机自工作面煤壁垂直向工作面正前方进行超前短探，以探查老空区并疏放老空区低洼处的微量积水；超前短探单次探查距离为15m，保持超前距离5m，可采距离10m；超前短探钻孔设计为A循环和B循环，A循环间隔10m设计1组钻孔，每组设计2个钻孔，钻孔均向正前方钻进，其中1号钻孔设计为钻进至煤层顶板终孔，2号钻孔沿煤层正前方钻进，所有钻孔均以最短孔深作为有效探测距离；工作面安全回采10m后，开始B循环探查，B循环亦为间隔10m设计1组钻孔，与A循环间隔5m交错探查，避免形成盲区，提高探查和回采效率。
8.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述超前预判技术，即重点关注物探富水异常区，结合老空巷揭露情况，回采过程中随时观察煤壁挂汗、渗水老空透水征兆，若发现透水征兆，则立即停止采煤，利用钻机探放煤壁前方的老空水，直到排除所有异常，再次启动采煤，可采距离仍为超前短探的最短有效距离。
9.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述巷探技术，即工作面全覆盖探查受钻孔密度和孔斜因素影响，利用常规钻孔疏放老巷内的积水无法疏放干净，因此，回采过程中若揭露老巷，在确保安全的前提下，查清老巷的位置及积水情况，通过调查老巷排水，消除老空水害隐患。
10.按照权利要求1所述的同一厚煤层受小窑破坏整合矿井老空水防治方法，其特征在于：步骤十中所述疏放动态老空水技术，即随着工作面回采，疏放水钻孔受采动影响，出现塌孔堵塞钻孔的情形，造成老空水水位和水量上升，再次对工作面回采造成威胁，因此，随着工作面回采，特采取向老空动态补给方向施工常规钻孔或定向钻孔疏放老空水，亦或向采空区埋设钢管引流老空水，避免水位和水量再次上升。
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