淺析新景礦帶壓開采工作面超前探測(cè)技術(shù)

任海波

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司 地質(zhì)測(cè)量部，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱新景公司)隸屬陽(yáng)煤集團(tuán)，主采煤層為3#、8#、15#煤層。礦井西部及西南部開采煤層部分區(qū)域處于奧灰承壓含水層水位線以下，奧灰水是影響該范圍安全生產(chǎn)的主要水患因素[1]。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，結(jié)合《新景公司“有掘必探有采必探”實(shí)施細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，“地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單且突水系數(shù)<0.06 MPa/m的帶壓開采區(qū)域”屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)采掘工作面必須嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行“有掘必探有采必探”工作，探明并排除水害隱患后，方可正常回采。

1 探放水原則與方法要求

新景公司探放水工作嚴(yán)格按照“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的要求，采取“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的綜合探測(cè)手段，探明并排除采掘面周邊水害隱患，確保安全生產(chǎn)。

1.1 “有掘必探”方法

采用礦井瞬變電磁儀對(duì)巷道前方順層、向上45°、向下45°方向進(jìn)行超前探測(cè)。針對(duì)物探正常區(qū)，采取常規(guī)探測(cè)鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，探孔對(duì)巷道前方、兩幫及底板進(jìn)行控制，其中底板方向鉆孔不少于兩個(gè)，探測(cè)完畢后對(duì)底板孔進(jìn)行注漿封堵；物探異常區(qū)需編制專項(xiàng)探放水鉆孔方案。

1.2 “有采必探”方法

帶壓工作面回采前，必須采用不少于3種的物探手段進(jìn)行超前探測(cè)，針對(duì)綜合物探所圈定的構(gòu)造區(qū)、富水異常區(qū)必須編制專項(xiàng)探放水設(shè)計(jì)和措施，并按照設(shè)計(jì)和措施組織施工?；夭晒ぷ髅嬖卺槍?duì)物探異常區(qū)域進(jìn)行專項(xiàng)鉆探驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，還需沿走向方向以50 m為間距，施工多個(gè)常規(guī)鉆探驗(yàn)證孔，以對(duì)物探正常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 15011工作面帶壓區(qū)超前探測(cè)

15#煤層80111工作面位于丈八一區(qū)南翼東部。工作面走向長(zhǎng)1 102 m，傾斜長(zhǎng)220 m，進(jìn)風(fēng)巷120～413 m，回風(fēng)巷22～231 m均處于奧灰水帶壓區(qū)內(nèi)，帶壓區(qū)內(nèi)最低處煤層底板標(biāo)高為380 m，低于奧灰水(標(biāo)高395 m)水位標(biāo)高15 m，水頭壓力為0.15 MPa，存在帶壓開采問題。開采前，需進(jìn)行綜合探測(cè)，并根據(jù)探測(cè)成果進(jìn)行開采安全性評(píng)價(jià)。

2.1 有掘必探

15011工作面回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷相繼進(jìn)入奧灰水帶壓區(qū)內(nèi)。期間，公司嚴(yán)格采取“物探+鉆探”的方法進(jìn)行超前探測(cè)。即：物探超前探測(cè)90 m，鉆孔驗(yàn)證60 m，在確認(rèn)掘進(jìn)區(qū)域無(wú)水害影響的前提下，巷道允許繼續(xù)向前掘進(jìn)30 m的方式進(jìn)行施工。復(fù)雜區(qū)內(nèi)共進(jìn)行5次瞬變電磁超前物探，10次驗(yàn)證孔施工。其中，15011回風(fēng)巷共進(jìn)行3次物探，5次鉆探，鉆孔總數(shù)25個(gè)，鉆孔總鉆距1 048.6 m；進(jìn)風(fēng)巷共進(jìn)行2次物探，5次鉆探，鉆孔總數(shù)21個(gè)，鉆孔總鉆距756.0 m。超前探測(cè)工作排除巷道掘進(jìn)期間安全隱患，保障了安全掘進(jìn)。

2.2 有采必探

綜合探測(cè)：針對(duì)工作面帶壓區(qū)開展音頻電穿透法、直流高分辨法及無(wú)線電波坑透法等3種物探手段進(jìn)行綜合探測(cè)。對(duì)工作面南部帶壓區(qū)(切巷以北長(zhǎng)500 m×寬220 m的范圍)進(jìn)行音頻電穿透探測(cè)，查明工作面底板一定深度范圍內(nèi)含水構(gòu)造的相對(duì)富水性的程度、空間連通形態(tài)以及分布范圍；對(duì)80111工作面回風(fēng)、進(jìn)風(fēng)兩順槽巷道帶壓區(qū)(距切巷500 m范圍)進(jìn)行井下直流電法探測(cè)，查明該范圍內(nèi)富水區(qū)域的分布規(guī)律及分布特征；對(duì)80111工作面(走向長(zhǎng)1 100 m×傾向長(zhǎng)220 m的范圍)進(jìn)行無(wú)線電波坑透探測(cè)，查明工作面內(nèi)部煤層的隱伏地質(zhì)構(gòu)造、煤層的賦存狀態(tài)等。綜合上述3種物探成果分析，在15011工作面中部距切巷170 m處存在一個(gè)24 m×20 m預(yù)測(cè)陷落柱并且處于低阻異常區(qū)內(nèi)、進(jìn)風(fēng)巷280 m及回風(fēng)巷170 m處均出現(xiàn)低阻異常區(qū)一處；除此之外，還存在一個(gè)小型陷落柱、4條落差<1/2煤厚斷裂構(gòu)造。

“鉆探+巷探”驗(yàn)證：為進(jìn)一步掌握15011工作面煤層下部巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷280 m、回風(fēng)巷170 m底板下方低阻異常區(qū)進(jìn)行專項(xiàng)鉆探。針對(duì)進(jìn)風(fēng)巷280 m處異常區(qū)施工1#、2#專項(xiàng)探孔，回風(fēng)巷170 m異常區(qū)施工3#專項(xiàng)探孔，探孔均出現(xiàn)不同程度涌水現(xiàn)象，期間進(jìn)行水樣化驗(yàn)分析，確定進(jìn)風(fēng)巷2#鉆孔、回風(fēng)巷3#鉆孔涌水為奧灰水。①進(jìn)風(fēng)巷1#鉆孔。進(jìn)風(fēng)巷距切巷220 m位置開孔，傾角-21°，鉆進(jìn)77 m，終孔位置控制在進(jìn)風(fēng)巷距切巷280 m位置煤層底板下方28 m處，實(shí)測(cè)水頭壓力為0.02 MPa，涌水量為0.05 m3/h。取水樣化驗(yàn)分析為總硬度33.0 mg/L，礦化度1 220 mg/L，pH值8.65，屬于SO4-·HCO3-Ca·Mg型水。通過水質(zhì)化驗(yàn)成分對(duì)比，基本確定為本溪組巖層水，不屬于奧灰水；②進(jìn)風(fēng)巷2#鉆孔。進(jìn)風(fēng)巷距切巷280 m位置開孔，傾角-90°，孔深為55 m，實(shí)測(cè)壓力為0.33 MPa，涌水量為1.9 m3/h。取水樣化驗(yàn)分析為總硬度29.3，礦化度1 070，pH值8.44，為HCO3-Ca·Mg型水。通過水質(zhì)化驗(yàn)成分對(duì)比，確定為奧灰水；③回風(fēng)巷3#鉆孔?；仫L(fēng)巷距切巷170 m位置開孔，傾角-90°，鉆至55 m，穩(wěn)定30 min后涌水量為2 m3/h，由于封孔管漏水，無(wú)法觀測(cè)水壓。取水樣化驗(yàn)分析為總硬度40.3，礦化度1 260，pH值8.38，為HCO3-Ca·Mg型水。通過水質(zhì)化驗(yàn)成分對(duì)比，確定為奧灰水。各鉆孔水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見表1。

疑似導(dǎo)水構(gòu)造專項(xiàng)探測(cè)：為進(jìn)一步確定工作面坑透預(yù)測(cè)導(dǎo)水陷落柱、預(yù)測(cè)斷裂構(gòu)造的賦存特征及其導(dǎo)水性，經(jīng)研究決定在工作面距切巷200 m位置施工一條探巷，并對(duì)探巷南部區(qū)域(帶壓開采區(qū))預(yù)測(cè)含水地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行針對(duì)性探測(cè)，必要時(shí)采取治理手段。①探巷。探巷從回風(fēng)巷距切巷200 m處開始施工，期間嚴(yán)格按照“物探80 m，鉆探70 m，允許掘進(jìn)40 m，預(yù)留30 m超前距”進(jìn)行循環(huán)施工，掘進(jìn)期間未見預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造；②專項(xiàng)鉆探。對(duì)探巷南部區(qū)域(帶壓開采區(qū))可能存在的構(gòu)造及含水異常進(jìn)行針對(duì)性探測(cè)：共施工15個(gè)驗(yàn)證鉆孔，累計(jì)鉆探進(jìn)尺706 m，探孔基本排除帶壓區(qū)(尤其是綜合物探異常區(qū))內(nèi)存在陷落柱或存在>1/2斷層的可能；③常規(guī)鉆探驗(yàn)證孔。在上述專項(xiàng)鉆探驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，延順槽方向每50 m施工一個(gè)鉆探驗(yàn)證孔，共計(jì)44個(gè)驗(yàn)證孔，累計(jì)孔深4 800余m，驗(yàn)證孔未探及明顯構(gòu)造及含水異常[2]。

表1 水質(zhì)化驗(yàn)成果分析表

3 帶壓區(qū)段開采安全性評(píng)價(jià)

3.1 導(dǎo)水通道分析

陷落柱：新景公司15#煤層巖溶陷落柱較發(fā)育。由于在15#煤層下伏中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r等可溶性巖體在地下水的物理、化學(xué)作用下形成了大量的巖溶空洞，而空洞上覆煤(巖)層在自重壓力作用下塌陷形成的。90%以上的陷落柱是不導(dǎo)水不含水的，但陷落柱一旦導(dǎo)水，往往是災(zāi)害性的，可造成淹井事故。

斷層：勘探資料和生產(chǎn)實(shí)踐證明，本區(qū)大斷層不太發(fā)育，大中型斷層極少。絕大多數(shù)均屬落差<5.0 m以下的層間小斷層，這些小斷層一般成群出現(xiàn)，均系在褶皺過程中產(chǎn)生層間滑動(dòng)中生成的，其主要受礦井主要褶皺構(gòu)造控制。斷層極易破壞煤層與含水層之間的原生間隔關(guān)系，形成了連接煤層與奧灰的斷層帶，可以將奧灰水帶向巷道及工作面中，是煤層開采的常見充水通道。

導(dǎo)水通道評(píng)價(jià)：15011工作面帶壓區(qū)防治水工作就是導(dǎo)水構(gòu)造的防治工作。而前期施工的常規(guī)、專項(xiàng)驗(yàn)證鉆孔已排除帶壓區(qū)(綜合物探異常區(qū))內(nèi)存在陷落柱或存在>1/2斷層的可能，工作面地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，故基本不存在構(gòu)造突水的可能性。

3.2 突水系數(shù)評(píng)價(jià)

現(xiàn)選取工作面帶壓區(qū)內(nèi)煤層底板最低點(diǎn)對(duì)帶壓區(qū)最大突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算

其中：H煤—煤層底板標(biāo)高377 m；H峰—峰峰組頂界面標(biāo)高331 m；H水—根據(jù)進(jìn)風(fēng)巷2#探測(cè)鉆孔實(shí)測(cè)水頭值(0.33 MPa)修正，該處底板標(biāo)高384 m，修正水位標(biāo)高為417 m。

=0.018 MPa/m<0.06 MPa/m

即：80111工作面帶壓區(qū)最大突水系數(shù)<臨界突水系數(shù)值0.06 MPa/m，處于相對(duì)安全區(qū)內(nèi)。

3.3 采勘對(duì)比成果

綜合物探(無(wú)線電坑透、直流電法、音頻電穿透等)、專項(xiàng)巷探與鉆探驗(yàn)證工程，基本探明 80111工作面帶壓區(qū)(尤其是綜合物探異常區(qū))內(nèi)存在陷落柱或>1/2斷層的可能性較小，排除15011工作面回采期間的水害安全隱患[3]。工作面計(jì)算突水系數(shù)最大值為0.018 MPa/m(<0.06 MPa/m)，屬于帶壓相對(duì)安全區(qū)內(nèi)。15011工作面2016年2月份開始回采，3月份進(jìn)入帶壓區(qū)，8月份推出奧灰水帶壓區(qū)，期間加強(qiáng)水情觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯水害異?；蚝畼?gòu)造，工作面安全通過帶壓區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦帶壓區(qū)采掘過程中，礦井必需嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》要求，密切結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)踐，制定并嚴(yán)格落實(shí)帶壓區(qū)防治水工作方案與安全技術(shù)措施，以確保采掘期間的施工安全。陽(yáng)煤新景公司嚴(yán)格按照“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、有采必探、先探后掘、先治后采”的要求，采取“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的綜合探測(cè)手段，扎實(shí)開展礦井帶壓區(qū)(水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū))采掘工作面“有掘必探有采必探”工作，期間結(jié)合工作面實(shí)際水文地質(zhì)條件，強(qiáng)化水患治理，指導(dǎo)帶壓工作面的銜接部署與安全生產(chǎn)，為今后的帶壓區(qū)防治水工作積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，在帶壓礦井的防治水工作中具有較大的推廣價(jià)值[4]。