朔州礦區(qū)巖溶承壓構(gòu)造水超前探放技術(shù)

牟 義，李 健，邱 浩，張永超，張小波

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.榆林市能源局，陜西 榆林 719000)

地質(zhì)構(gòu)造對采掘工作影響較大，其對可采煤層造成破壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)秩序，阻礙機(jī)械化采煤工作。而巖溶構(gòu)造一般在灰?guī)r中發(fā)育，巖溶、裂隙發(fā)育分布面積廣，與含水層聯(lián)系形成導(dǎo)水通道，對煤礦采掘工作帶來突水隱患。許多專家學(xué)者都對巖溶含水構(gòu)造超前探放進(jìn)行了大量研究。在超前物探方面，程久龍等[1]介紹了地球物理方法在煤礦地質(zhì)構(gòu)造、巖層含水性超前探測等方面的最新進(jìn)展，分析了地震精細(xì)成像、槽波超前探測、瞬變電磁波場轉(zhuǎn)換與合成孔徑、磁共振超前探測、井下陷落柱等超前探測技術(shù)；李術(shù)才等[2]分析鉆爆法、TBM施工隧道的特點及超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的研究現(xiàn)狀，鉆爆法施工隧道在反射地震類、電磁類和電法類超前探、預(yù)報技術(shù)方面取得較大進(jìn)展，而TBM 施工環(huán)境具有特殊性、復(fù)雜性，探、預(yù)測技術(shù)處于初步研究階段；馬俊學(xué)等[3]分析了金屬礦山各類超前探測方法，如TSP、TRT、TST、GPR、TEM、電阻率、MRS、ID法等，優(yōu)缺點不同，提出應(yīng)在金屬礦山特殊施工條件下進(jìn)行現(xiàn)場探測對比研究；韓進(jìn)國等[4]將井巷瞬變電磁法應(yīng)用于膠東地區(qū)金礦巷道超前探水工程中，為膠東地區(qū)金礦超前探水提供了科學(xué)依據(jù)；林君[5]、聶利超[6]、張金濤[7]、李術(shù)才[8]、趙朋朋[9]等分別將核磁共振、激發(fā)極化、雙頻激電、陣列電阻率、槽波等各類物探方法應(yīng)用井下超前探測中，取得了一定的研究成果。在超前水害防治方面，李宏杰等[10]通過鉆探、水文勘查及水化學(xué)試驗等區(qū)域資料對準(zhǔn)格爾煤田巖溶水害防治技術(shù)進(jìn)行了深入研究；舒宗運等[11]聯(lián)合采用綜合物探和鉆探等勘查技術(shù)，查明了首旺礦太灰和奧灰含水層“雙帶壓”復(fù)雜條件下的帶壓特征、含水層分布范圍及構(gòu)造的富水性；耿耀強(qiáng)等[12]針對神府礦區(qū)大型水庫周邊淺埋煤層采用井下探放水疏放、井下探放水與地面疏放水、淺部煤層采空區(qū)積水勘查與疏放、地面排水溝渠縫隙填埋等系統(tǒng)水害防治技術(shù)；張立輝[13]、方剛[14]、豆旭謙[15]等對超前鉆探技術(shù)等井下水害防治技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了不少成果。在以上研究基礎(chǔ)上，針對巖溶承壓構(gòu)造水，在山西朔州地區(qū)國強(qiáng)煤礦回風(fēng)大巷迎頭采用礦井瞬變電磁法超前探測巖溶突水構(gòu)造，并根據(jù)探測結(jié)果及出水承壓情況進(jìn)行探放水設(shè)計，開展巖溶承壓突水構(gòu)造的探放水技術(shù)研究。

1 研究區(qū)概況

山西朔州國強(qiáng)煤礦主要開采4號、9號、11號煤層，4號煤層開采標(biāo)高為910～1070m。4號煤層的總回風(fēng)巷屬于4-1號煤層，切底布置，4-1號煤層位于太原組頂部，厚度約為4.23～10.95m，平均厚度為7.64m，是全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。該礦4煤回風(fēng)大巷掘進(jìn)至750m處時，迎頭處的頂板、兩幫、底部均出現(xiàn)了范圍、強(qiáng)度不一的淋水、滲水情況，后來涌水量逐漸增大?；仫L(fēng)大巷施工到761m時停止掘進(jìn)，進(jìn)行超前打鉆探放水，鉆至前方26m處時，鉆孔見空約0.5m，鉆孔涌水量猛增，水壓瞬間增大，并將鉆桿頂出4～5m，瞬時涌水量為40m3/h，鉆進(jìn)停止。另外，4煤運輸大巷在掘進(jìn)中也出現(xiàn)一定程度的淋水、滲水情況，施工到649m時停止掘進(jìn)。從鉆探揭露情況可以看出，回風(fēng)大巷掘進(jìn)區(qū)域位于高承壓巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)域。因此，本次超前探放水研究區(qū)選擇在山西朔州平魯區(qū)國強(qiáng)煤礦4煤回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭(施工長度761m)，該區(qū)位于井田南部邊界區(qū)域，地面標(biāo)高約為1219m，開采標(biāo)高約為910m，巷道斷面形狀為矩形，凈高2.6m，凈寬4m，凈面積10.4m2，傾角約為2°～3°。

2 超前物探探測方案

為確定回風(fēng)大巷前方的構(gòu)造及富水情況，采用瞬變電磁法進(jìn)行超前探測，探測位置在回風(fēng)大巷掘進(jìn)頭(掘進(jìn)長度761m)，采用“五縱一橫”布置方式[16，17]，即五條縱向旋轉(zhuǎn)測線：90°、45°、0°、-45°、-90°，一條橫向水平旋轉(zhuǎn)測線，五條縱向測線平面如圖1所示，“五縱一橫”測線均按照13個不同角度測點(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°)進(jìn)行探測，其中五條縱向測線測點布置如圖2所示，單條橫向測線測點布置如圖3所示。

圖1 “五縱”橫向測線

圖2 “五縱”縱向測點

圖3 “一橫”橫向測點布置

3 瞬變電磁法超前反演成果分析

超前探測數(shù)據(jù)經(jīng)過視電阻率計算、時深轉(zhuǎn)換等反演計算過程，構(gòu)建了二維剖面、平面數(shù)據(jù)體并成圖，在此基礎(chǔ)上形成三維數(shù)據(jù)體，進(jìn)行數(shù)據(jù)體和構(gòu)造異常區(qū)立體顯示。本次主要以出水嚴(yán)重的回風(fēng)大巷超前探測成果為例進(jìn)行解釋。

3.1 典型斷面圖分析

水平橫向電阻率斷面如圖4所示，其坐標(biāo)原點為回風(fēng)大巷761m處，橫坐標(biāo)為以回風(fēng)大巷761m處為0點水平正前方距離，縱坐標(biāo)為以回風(fēng)大巷761m處為0點的水平左右?guī)途嚯x，正值為左幫方向距離，負(fù)值為右?guī)途嚯x，圖中虛線標(biāo)注的角度為不同測點方向；迎頭0°方向縱向電阻率斷面如圖5所示，其坐標(biāo)原點為回風(fēng)大巷761m處，橫坐標(biāo)同圖4，縱坐標(biāo)為以回風(fēng)大巷761m處為0點的縱向頂?shù)装寰嚯x，正值為頂板方向，負(fù)值為底板方向，圖中虛線所標(biāo)角度為不同測點方向。

圖4 迎頭前方橫向平面

由圖4可知，有1處明顯低阻異常，位于橫坐標(biāo)25～120m、縱坐標(biāo)-100～100m之間(極坐標(biāo)左幫60°～右?guī)?0°、極距25～120m之間)位置，異常幅度明顯，視電阻率小于2.0Ω·m，推斷為由4號煤頂板砂巖水構(gòu)成的構(gòu)造含水體，特別是在橫坐標(biāo)40～100m、縱坐標(biāo)-80～80m之間(極坐標(biāo)左幫45°～右?guī)?5°、極距40～100m之間)區(qū)域附近存在較強(qiáng)低阻異常(低阻異常1)，電阻率值均小于1.4Ω·m，推斷該區(qū)域富水性強(qiáng)或相對較強(qiáng)。

由圖5可知，有2處明顯低阻異常，上部異常范圍較大，幅值明顯，下部異常范圍較小，幅值一般。上部異常位于橫坐標(biāo)20～120m、縱坐標(biāo)-80～120m(極坐標(biāo)底板45°～頂板75°、極距20～120m之間)位置，電阻率值均小于2.0Ω·m，推斷為由4煤頂板砂巖水構(gòu)成的構(gòu)造含水體，特別是在橫坐標(biāo)30～120m、縱坐標(biāo)-60～100m(極坐標(biāo)底板30°～頂板60°、極距30～100m之間)位置附近存在較強(qiáng)低阻異常(低阻異常1)，電阻率值均小于1.4Ω·m，推斷該區(qū)域富水性強(qiáng)或相對較強(qiáng)；在該剖面橫坐標(biāo)0～430m、縱坐標(biāo)-40～-120m(極坐標(biāo)底板90°～底板70°、極距40～120m之間)位置存在低阻異常(低阻異常2)，電阻率值均小于2.0Ω·m，推斷為4號煤底板奧灰含水體。從視電阻率剖面圖上看，推斷構(gòu)造含水體和奧灰含水體距離非常近，初步推斷構(gòu)造含水體和奧灰含水體在該方向剖面位置有導(dǎo)通的可能，推斷已發(fā)生水力聯(lián)系，從而導(dǎo)致打鉆出水，且出水量較大。

圖5 迎頭前方0°縱向剖面

3.2 立體圖分析

將“五縱一橫”探測的數(shù)據(jù)匯總成三維數(shù)據(jù)體成圖后如圖6所示[18，19]。圖6中可以看出掘進(jìn)工作面前方偏頂板方向有成片低阻異常區(qū)域，異常強(qiáng)度較大，推斷為由4號煤頂板砂巖水組成的構(gòu)造水；而在底板方向也存在局部低阻異常區(qū)，異常深度較大，并逐步向上部延伸，推斷為底板奧灰水，推斷砂巖含水體和奧灰含水體距離非常近，初步分析砂巖含水體和奧灰含水體有導(dǎo)通的可能，且已發(fā)生水力聯(lián)系，聯(lián)系通道發(fā)育情況如圖7所示，圖中凹陷區(qū)域為砂巖水和奧灰水聯(lián)通的陷落柱等通道。

圖6 迎頭前方立體示意

圖7 迎頭前方立體通道示意

4 鉆探探放水設(shè)計

根據(jù)超前探放水經(jīng)驗，探放水鉆孔最大幫距取19m[20]。根據(jù)以上物探結(jié)果顯示，回風(fēng)大巷761m處掘進(jìn)工作面前方極距約20～120m(極坐標(biāo)為左幫45°、右?guī)?5°、底板45°和頂板75°之間)區(qū)域內(nèi)存在含水區(qū)，探放水鉆孔需要穿越物探異常區(qū)，探測深度滿足平距不小于100m。

設(shè)計探放水鉆孔以4號煤總回風(fēng)巷掘進(jìn)方向為中心平面扇形布置15組探水鉆孔，其中1#—7#組鉆孔位于4煤總回風(fēng)巷左幫扇形區(qū)域，9#—15#組鉆孔位于4煤總回風(fēng)巷右?guī)蜕刃螀^(qū)域，8#組孔位于4煤總回風(fēng)巷掘進(jìn)方向，鉆孔組最小終孔間距為3m。每組鉆孔以4煤平面為中心縱向扇形布置9個鉆孔，最小終孔距離為1.5m。掘進(jìn)迎頭附近開孔位置垂距0.1m，平距0.29m，各孔布置如圖8—圖10所示。

圖8 鉆孔位置平面

圖9 鉆孔位置剖面

圖10 開孔位置剖面

本次探放水立體設(shè)計“15橫9縱”，合計鉆孔135個，針對前方強(qiáng)富水構(gòu)造進(jìn)行了加密布置，為便于驗證并修正物探結(jié)果，并進(jìn)行探放水工作。針對數(shù)量較多鉆孔，可分步施工，前期可以選擇間隔較遠(yuǎn)的1#1，1#5，1#9，8#1，8#5，8#9，15#1，15#5，15#9這9個孔進(jìn)行疏放，防止串孔透水。施工順序為：①8#5，②1#1，③15#9，④1#9，⑤15#1，⑥1#5，⑦15#5，⑧8#1，⑨8#9。上述9個鉆孔順序施工完成后，對于探放到富水區(qū)的鉆孔進(jìn)行疏放水工作，放水到一定程度后，方可施工剩余探放水鉆孔。前期9個鉆孔的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 前期探放水孔技術(shù)參數(shù)

物探異常區(qū)水壓小于1MPa，依照目前已有的鉆孔水壓情況，施工時需要安裝止水套管，止水套管長度取不少于6m，還應(yīng)在孔口管上安裝閘閥、水壓表、水門、三通和泄水短管等孔口安全裝置。但由于前期礦方打鉆只是鉆探到富水異常區(qū)的邊緣部位，隨著鉆探深度的加大，水壓可能會有所增加，壓力可能還會增大，為避免高壓水頂出鉆桿，噴出碎石傷人，本次探放水孔口應(yīng)安設(shè)防噴逆止閥。

在探放水鉆進(jìn)時，發(fā)現(xiàn)透水征兆時，應(yīng)當(dāng)立即停止鉆進(jìn)[21]。施工過程中，如發(fā)現(xiàn)水壓超過1MPa，應(yīng)立即停止施工，重新編制探放水方案，制定安全技術(shù)措施，因本巷道為煤巷，如需繼續(xù)在本巷道中施工，必須設(shè)計、布置防水閘墻，由閘墻外向內(nèi)進(jìn)行探放水；如發(fā)現(xiàn)水壓超過2MPa，鉆孔要穿過煤層的探斷層水、陷落柱水、含水層水等鉆孔，在打穿斷層、陷落柱或含水層前，還應(yīng)下第2層孔口管并穿過煤層1m以上[22]。

5 結(jié) 論

1)通過瞬變電磁法超前探測，從垂直電阻率剖面圖上分析，掘進(jìn)頭正前方0°探測范圍內(nèi)推斷含水范圍最大、強(qiáng)度為最強(qiáng)，45°探測范圍和-45°探測范圍次之，-90°探測范圍最弱；從水平電阻率平面圖上分析，推斷含水范圍集中位于極坐標(biāo)左側(cè)60°和右側(cè)60°范圍之內(nèi)；4煤回風(fēng)大巷正前方及其頂板區(qū)域富水程度強(qiáng)到較強(qiáng)，該區(qū)域離砂巖較近，推斷該區(qū)域發(fā)育構(gòu)造與砂巖含水層發(fā)生水力聯(lián)系；4煤底板區(qū)域局部富水性較強(qiáng)，推斷該區(qū)域底板通過構(gòu)造與4煤下部奧灰含水層發(fā)生水力聯(lián)系。結(jié)合掘進(jìn)及鉆探情況，推斷掘進(jìn)迎頭前方可能存在斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，與上、下含水層發(fā)生水力聯(lián)系，形成巖溶承壓構(gòu)造富水區(qū)。

2)在巷道掘進(jìn)施工過程中對前方富水區(qū)制定專門的技術(shù)方案，針對高承壓巖溶區(qū)水壓大、水量足的特點，加密鉆孔布置(“15橫9縱”布置方式)，并專門在孔口安裝止水套管、閘閥、水壓表、水門、三通、泄水短管及防噴逆止閥等安全裝置，并采取安全措施，才能進(jìn)行探放水工作。

3)在復(fù)雜巖溶構(gòu)造發(fā)育的大水礦區(qū)，合理采取礦井瞬變電磁法探測方案可以探明富水范圍、強(qiáng)度，推斷水源及通道，在此基礎(chǔ)上制定專門的探放水方案，進(jìn)行合理探放水工作，可有效避免礦井突水事故，確保安全生產(chǎn)。

4)井下施工條件復(fù)雜，干擾因素多，鉆機(jī)、錨網(wǎng)、底板積水、工業(yè)用電、松散側(cè)幫等均對瞬變電磁法產(chǎn)生干擾，物探成果難免有一定的誤差。礦方在資料應(yīng)用時，應(yīng)充分發(fā)揮本礦技術(shù)人員豐富的實踐經(jīng)驗和已經(jīng)回采工作面的實際情況了解全面的優(yōu)勢，對物探資料進(jìn)行綜合分析和利用。