桑樹坪煤礦11#煤層底板水文地質(zhì)探查方案

2016-09-20 05:48:23侯世占

現(xiàn)代礦業(yè) 2016年8期

侯世占

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司西安分公司)

侯世占

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司西安分公司)

通過對桑樹坪煤礦11#煤層底板水文地質(zhì)特征的分析，確定采用物探鉆探相結合的方式對11#煤層底板巖層水文地質(zhì)情況進行探查。物探方案包括礦井瞬變電磁法超前探測、直流超前探測、音頻電透視，鉆探方案包括定向鉆探、常規(guī)鉆探。一旦查明異常區(qū)可能形成水害威脅，采用有效疏放或注漿封堵的方式進行治理，確保礦井生產(chǎn)安全。探查結果對于該礦11#煤層底板注漿、增加有效隔水層厚度有一定的參考價值。

水文地質(zhì)特征物探鉆探注漿封堵

桑樹坪煤礦11#煤層與其底板奧灰?guī)r間距較小，煤層標高位于奧灰水位標高(+380m)以下，其回采受奧灰水害威脅，在采掘工程揭露或發(fā)生突水之前應進行注漿改造(或封堵)治理，即利用注漿工程切斷過水途徑，達到預防或治理礦井水害的目的[1]。治理前，通過對11#煤層底板巖層水文地質(zhì)情況進行探查，為底板注漿、增加有效隔水層厚度提供重要依據(jù)。

1　11#煤層底板概況

桑樹坪煤礦11#煤層至奧灰含水層頂面5.62～74.92m，平均23.66m，隔水層厚度變化大，煤層底板承受最大的奧灰水壓為2.75MPa，隔水層巖性組合以砂巖類巖層為主，砂巖、泥巖互層，11#煤層突水最大系數(shù)為0.282 8MPa/m，在井田中部和南部區(qū)域突水系數(shù)均大于0.06MPa/m。奧陶系石灰?guī)r為一套碳酸鹽巖，井田內(nèi)總厚度約470.74m，根據(jù)礦井以往勘探獲得的巖性組合、結構特征、埋藏條件、巖溶裂隙發(fā)育程度等信息，結合井田內(nèi)鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)、出露特征和礦井涌水量等條件，對井田內(nèi)奧灰?guī)r地層進行了劃分，結果見表1。

表1　桑樹坪井田奧陶系石灰?guī)r含(隔)水層段劃分

峰峰組一段(O2f1)厚50～72.79m，巖性由灰綠色、灰黑色泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖和角礫狀泥灰?guī)r互層組成，質(zhì)地不均勻，泥質(zhì)含量高達22.33%～32.49%。該段多呈薄層狀，交互成層，垂向變化快，裂隙不發(fā)育，裂隙率為1%，且多被泥質(zhì)充填，透水性弱。根據(jù)礦井壓水試驗結果，該段單位吸水量大部分小于0.001，為相對不透水層。桑樹坪礦進行平二采區(qū)11#煤層地質(zhì)補勘，施工211-6、211-7、211-9等3個水文孔時，均未發(fā)現(xiàn)該段地層漏水，其富水性較差，該層具有一定的相對隔水作用，可劃分為隔水層。通過分析峰峰組一段的水文地質(zhì)特征，確定以“注漿改造二段、直接利用一段”為宗旨，將峰峰組一段、二段作為11#煤層底板的隔水層加以利用，增加隔水層厚度，降低奧灰突水可能性。

2　探查方案

2.1物探方案2.1.1礦井瞬變電磁法超前探測

礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法基本一致，區(qū)別在于礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進行，瞬變電磁場呈全空間分布，全空間效應成為礦井瞬變電磁法需要解決的問題[2-4]。煤層在一般情況下為高阻介質(zhì)，電磁波易通過，故接收線圈接收到的信號為發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時，需根據(jù)線圈平面的法線方向并結合地質(zhì)資料進行綜合分析確定。桑樹坪煤礦井下瞬變電磁探測儀器為YCS2000型礦用瞬變電磁儀，該型儀器為煤礦井下含有瓦斯、煤塵爆炸性危險環(huán)境中探測含水和導水地質(zhì)構造而設計制造的本質(zhì)安全電磁法勘探儀器。礦井瞬變電磁法主要用于巷道掘進時的超前探測，礦井瞬變電磁法超前探測每次探測長度為80m，可掘進60m，迎頭正前有20m探測盲區(qū)。11#煤層3109工作面設計進行5次瞬變電磁探查。

2.1.2直流超前探測

礦井直流電法超前探測技術是一種全空間電法勘探技術，以巖石(或煤)的電性差異為基礎，在空間條件下建場，在地下巷道中進行電法測量工作，地下電流通過布置于巷道內(nèi)的供電電極在巷道周圍巖層中建立全空間穩(wěn)定電場(該穩(wěn)定電場特征取決于巷道周圍巖石的電性特征及其賦存狀態(tài))并測量該電場的變化規(guī)律，使用全空間電場理論進行處理和解譯，從而分析巷道周圍巖石中引起電場變化的水文、地質(zhì)構造規(guī)律，可廣泛用于解決煤礦井下巷道掘進頭前方100m范圍內(nèi)含水裂隙、巖溶、斷層、陷落柱、老空區(qū)、火燒區(qū)等異常地質(zhì)體的探查問題。直流超前探測技術每次探測80m，有效長度60m。11#煤層3109工作面設計直流電法超前探查21次，底板探測工程量約1.6km。

2.1.3礦井音頻電透視法

礦井音頻電透視技術是目前可有效探測采煤工作面及頂、底部巖層中含水構造的礦井物探技術，該技術已在我國多個礦務局(公司)的百余個工作面被推廣應用，成效顯著。礦井音頻電穿透法以全空間電場分布理論為基礎，由于地下各種巖(礦)石之間存在導電差異，影響著人工電場的分布形態(tài)，礦井音頻電透視法利用專門的儀器在井下觀測人工場源的分布規(guī)律，從而達到解決地質(zhì)問題的目的。總體來講，礦井音頻電透視法屬礦井直流電法范疇，因其施工方法技術、資料處理技術的差異及主要針對性(探測采煤工作面頂?shù)装搴畼嬙?等因素而成為礦井音頻電透視法的分支。11#煤層3109工作面設計音頻電透視工程量為1.2km。

2.2鉆探方案

11#煤層底板鉆探探查主要采用定向鉆探方式，與常規(guī)鉆探相比定向鉆探效率更高，有利于按期完成掘進前的探查任務，且技術上有保證[5]。但考慮到鉆探有盲區(qū)，同時直流電超前探出現(xiàn)異常后需加密驗證，因此設計采用定向鉆進和常規(guī)鉆進相結合的方案。實際施工中，可根據(jù)兩種鉆探方法在現(xiàn)場的實際效果對鉆探方案進行靈活調(diào)整。

2.2.1定向鉆進

(1)11#煤層工作面帶壓開采條件。11#煤層工作面奧灰水壓高、突水系數(shù)大，因此，有必要提高奧灰注漿改造厚度，確保改造后突水系數(shù)小于0.06MPa/m。根據(jù)工作面地質(zhì)構造、奧灰峰峰二段厚度和富水性情況，確定定向鉆孔水平間距按40m布置。

(2)具體方案。以3109工作面為例，工作面上部布置1個鉆場(F鉆場)，在工作面下部布置2個鉆場(G鉆場和H鉆場)，定向鉆孔軌跡穩(wěn)斜段位于奧灰頂界面以下20～30m。

(3)鉆孔結構。開孔一級孔徑193mm，一級套管φ168mm，長15～20m，穿過開孔段破碎巖層，下入穩(wěn)定層位；二級孔孔徑153mm，二級套管φ127mm，應下入奧灰?guī)r層穩(wěn)定層位，且確保套管地段與煤層底面間距不小于20m；三級孔孔徑96mm，直至終孔。定向鉆孔鉆場及孔深見表2。3109工作面定向鉆孔軌跡平面布置情況見圖1。

2.2.2常規(guī)鉆進

由于工作面定向鉆進存在盲區(qū)，需進行異常區(qū)探查，巷道掘進中也需進行常規(guī)鉆探超前探水，對物探電法探查后存在的異常區(qū)，也需考慮常規(guī)鉆進。常規(guī)套管孔徑127mm，孔口管長度根據(jù)巷道所在的

表2定向鉆鉆場及鉆孔設計