物鉆探相結(jié)合技術在煤礦水害防治中的應用

鐘 強

（山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 266000）

我國煤礦井下開采過程中受到多種水害威脅，礦井頂?shù)装逅栴}非常常見，隨著煤礦深部開采的不斷發(fā)展，頂?shù)装逅Ω宇l繁，嚴重影響到煤礦高產(chǎn)高效安全開采目標的實現(xiàn)。因此，對回采工作面頂?shù)装逅M行探查，查明水害致災因素，并進行針對性的治理是非常有必要的。當前煤礦對于地質(zhì)構造和富水異常區(qū)的探測主要有鉆探、物探、化探等多種探測方法，各探測方法都有著自身的探測優(yōu)勢和適用范圍，因此多種探測方法綜合使用效果較為理想。針對以上分析，提出了物鉆探相結(jié)合技術[1-6]，在鉆探資料基礎上，對地質(zhì)構造和頂板含水層富水異常區(qū)進行有效探查，為防治水工作提供技術保障。

1 工程概況

1.1 概況

山東豐源遠航煤業(yè)公司北徐樓煤礦位于山東省滕州市濱湖鎮(zhèn)七所樓村，設計生產(chǎn)能力90 萬t/a，生產(chǎn)水平為-300 m 水平和-920 m 水平。101 工作面位于礦區(qū)東南角，主要開采3下煤層，地表標高+34.4～+34.9 m，工作面底板標高-724～ -746 m，可采儲量80.2 萬t。101 工作面走向長394 m，傾斜長225 m，煤層厚度為2.8～8.6 m，平均厚度6.5 m，煤層傾角0°～4°，平均傾角2°，采用綜合機械化采煤工藝。

1.2 水文地質(zhì)分析

經(jīng)理論計算可知，北徐樓煤礦101 工作面頂板導水裂隙帶高度115 m，波及3下煤層頂板以上至下石盒子組頂部，K8、K10 砂巖裂隙承壓含水層為充水來源。

101工作面底板為奧陶系灰?guī)r巖溶承壓含水層，水位標高為-188.4 m，高于工作面3下煤層底板標高-746.2 m，屬于帶壓開采，奧灰水可能會涌突出。依據(jù)《煤礦防治水細則》計算得出101 工作面3下煤層奧灰最大突水系數(shù)為0.034 3 MPa/m，小于0.06 MPa/m，正常情況下伏奧灰含水層對回采工作面無充水影響，如果存在導水斷層、巖溶陷落柱等地質(zhì)構造，則存在突水可能性。

2 工作面防治水安全技術措施

2.1 防治水思路

針對101 工作面主要水害情況，基于該礦底板承壓水開采工作面防治水的規(guī)定，采用物鉆探相結(jié)合技術，對地質(zhì)構造和頂板含水層富水異常區(qū)進行有效探查。

物鉆探相結(jié)合技術的工作原理：將三維地震、瞬變電磁、無線電坑透勘探技術等物探技術與鉆探技術聯(lián)合，實現(xiàn)一孔多用，對巷道前方地質(zhì)構造和巖層富水性進行探查，能有效地提高探查的準確性和范圍。

防治水思路：（1）采用三維地震探查技術，查明落差≥5 m 的斷層和直徑≥20 m 的陷落柱等地質(zhì)構造；采用鉆探手段對三維地震勘探進行補充查明隱伏地質(zhì)構造；采用瞬變電磁查明工作面3下煤層地質(zhì)構造、富水性情況。（2）采用千米定向鉆機進行鉆探，主要目的是對物探異常區(qū)（地質(zhì)構造和頂板含水層富水異常區(qū)）進行驗證，查明圈定準確的破壞積水邊界。（3）為準確探查101 工作面內(nèi)部斷層及陷落柱的情況，在101 工作面回采前采用無線電波坑透技術進行探查。（4）在施工過程中，進一步完善101 工作面的防排水系統(tǒng)，使其符合設計要求，提高防治水能力。

2.2 物探探查

2.2.1 地面物探探查

（1）三維地震探查。對開采區(qū)域進行三維地震勘探后，發(fā)現(xiàn)主要是存在101 工作面切眼東側(cè)分布的X3 陷落柱，三維地震勘探構造分布情況如圖1。

圖1 101 工作面三維地震勘探構造分布示意圖

（2）瞬變電磁勘探。采用瞬變電磁法對開采區(qū)域內(nèi)的斷層、陷落柱等構造的空間分布及富水性、導水性進行探查。瞬變電磁勘探成果如圖2，在101 工作面下巷側(cè)頂板K8 砂巖裂隙含水層為富水異常區(qū)，K10 砂巖裂隙含水層為富水異常區(qū)，X3陷落柱附近不存在明顯低阻異常區(qū)域，因此X3 陷落柱應該為不充水型陷落柱。

圖2 101 工作面瞬變電磁勘探成果示意圖

2.2.2 無線電坑透探查

采用無線電坑透探查101 工作面開采區(qū)域，101 工作面無線電坑透探查成果如圖3，共探測到1號異常區(qū)和2 號異常區(qū)。對2 號異常區(qū)分析可知，其位置處于切眼西側(cè)，面積小，異常程度淺，推測可能為切眼內(nèi)支架造成的假異常。

圖3 101 工作面無線電波坑透成果

2.3 物探成果驗證

2.3.1 三維地震勘探成果驗證

在101 工作面上巷掘進過程中，在101 工作面上巷23#鉆場內(nèi)，采用千米定向鉆機對X3 陷落柱進行準確探測。設計有1#、2#、3#共3 個探查孔，探測成果如圖4，確定了X3 陷落柱實際揭露位置。1#、2#、3#共3 個探查孔在鉆探過程中回水正常，直至鉆孔施工結(jié)束，孔內(nèi)無涌水，沒有揭露含水構造。這就證實該X3 陷落柱不富水、不導水，為不充水型陷落柱。

圖4 101 工作面23#鉆場陷落柱千米定向鉆探成果示意圖

2.3.2 瞬變電磁勘探成果驗證

101 工作面回采前，必須采用鉆探對瞬變電磁勘探異常區(qū)進行驗證，通過施工探放水鉆孔實現(xiàn)煤層頂板砂巖水的提前疏放，減小101 工作面回采時的涌水量。在101 工作面的上巷和下巷的7#、19#、12#、20#共4 個鉆場共施工13 個頂板探放水鉆孔，鉆孔布置情況如圖5。鉆孔總進尺為1946 m，鉆孔總放水量約36.5 萬m3。

圖5 101 工作面頂板探放水鉆孔布置示意圖

2.3.3 無線電波坑透成果驗證

在101 工作面上巷、下巷掘進中和回采前進行了瓦斯抽采治理，瓦斯抽放鉆孔深度為90 m，孔間距為2 m，在進行瓦斯抽放的同時，對101 工作面（特別是無線電坑透探查到的1 號異常區(qū)和2 號異常區(qū)）隱伏地質(zhì)構造進行探查。鉆探結(jié)果表明：101 工作面不存在較大的隱伏地質(zhì)構造。

2.4 排水系統(tǒng)設置方案

101 工作面3下煤正常涌水量約為39 m3/h，最大涌水量約為130 m3/h。排水系統(tǒng)設計原則為按照最大涌水量的2.5 倍計算，以應對極端情況，即工作面按325 m3/h 排水能力進行設計。從101 工作面的地質(zhì)構造工況可知，應該將主排水系統(tǒng)布置在工作面下巷內(nèi)。

101工作面下巷敷設2趟管徑Ф159 mm排水管，排水能力為280 m3/h；101 工作面上巷敷設1 趟管徑Ф108 mm 排水管，排水能力為45 m3/h；另外上巷風水管可改造為排水管路，排水能力為45 m3/h，下巷風水管可改造為排水管路，排水能力為45 m3/h。總排水能力可達415 m3/h，滿足要求。

在101 工作面上巷低洼處設置泵窩，配置2 臺風泵（1 用1 備）；101 工作面下巷切眼向外200 m低洼處設主排水系統(tǒng)，并挖設泵坑，配置2 臺潛水泵（1 用1 備），揚程40 m，流量70 m3/h。

3 綜合應用效果分析

在101 工作面采用物鉆探相結(jié)合技術進行了地質(zhì)構造和頂板含水層富水異常區(qū)的探查。探查結(jié)果表明：在101 工作面切眼東側(cè)分布X3 陷落柱，為不充水型陷落柱；在101 工作面下巷側(cè)頂板有K8富水異常區(qū)和K10 富水異常區(qū)，無較大的隱伏地質(zhì)構造。101 工作面共施工13 個頂板探放水鉆孔，總放水量約36.5 萬m3。探查鉆孔中排水、返水過程正常，鉆孔無涌水發(fā)生，巷道掘進中頂板未有淋水現(xiàn)象發(fā)生，物鉆探相結(jié)合技術探查結(jié)果較準確，為101 工作面防治水奠定了基礎。

物鉆探相結(jié)合技術的應用，降低了鉆孔施工的風險和成本，有效降低了101 工作面水害事故發(fā)生概率，保障了煤礦開采的安全性，為煤礦創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

山東豐源遠航煤業(yè)公司北徐樓煤礦101 工作面頂?shù)装逅Πl(fā)生頻繁，危害嚴重，針對這一情況提出井上下物鉆探相結(jié)合防治水方案。應用三維地震、瞬變電磁、無線電坑透勘探技術查明了工作面地質(zhì)構造情況和頂?shù)装搴畬痈凰裕瑢τ谖锾饺Χǖ母凰惓^(qū)和地質(zhì)構造進行了鉆探驗證，然后根據(jù)物探和鉆探成果合理設計了101 工作面的排水系統(tǒng)，保持充足的排水能力。101 工作面探放水工程治理效果理想，有效保障了101 工作面開采的安全性。另外，隨著科技的發(fā)展，北徐樓煤礦也在積極探索物鉆探一體化技術的應用，實現(xiàn)鉆孔及周圍可視化、一孔多見，實現(xiàn)鉆孔軌跡明確和探查構造明確，為煤礦工作面的水害防治提供參考。