采面底板物探異常區(qū)鉆探鉆孔設計及效果評價

吳文慧

（汾西礦業(yè)集團瑞泰公司正中煤業(yè)，山西 靈石 031300）

我國煤炭產(chǎn)量中95%以上采用井工開采，受到煤層賦存條件復雜、地質(zhì)構造復雜等因素影響，煤炭開采受到諸多制約[1-3]。井工礦井生產(chǎn)時，對開采范圍內(nèi)地質(zhì)構造進行詳細探測并針對性采取措施降低地質(zhì)構造影響對提升礦井煤炭生產(chǎn)效益具有重要意義[4]。現(xiàn)階段礦井常用的探測技術包括鉆探、物探以及巷探，其中，物探技術具有探測效率高、范圍廣以及成本低等優(yōu)點，在煤炭開采過程中應用較為廣泛，物探確定的異常區(qū)需要采用鉆探方式進行驗證[5-7]。本文以山西某礦3505 綜采工作面開采為工程背景，采用確定底板異常區(qū)并針對性設計鉆探進行探測，探測成果為礦井煤炭開采提供了可靠支撐。

1 工程概況

山西某礦3505 綜采工作面設計走向推進1 520 m、傾向295 m，主要開采5#煤層。5#煤層厚度均值3.8 m、埋深605 m、傾角3°～5°，煤層頂板巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖以及粉砂巖為主，底板以砂質(zhì)泥巖為主。根據(jù)已經(jīng)地質(zhì)勘探資料顯示，3505 綜采工作面開采范圍內(nèi)存在有多個陷落柱，同時回采巷道掘進揭露有2 條落差均在3 m 以上的斷層，具體采面內(nèi)已掌握的地質(zhì)構造分布情況見圖1 所示。

圖1 采面內(nèi)地質(zhì)構造分布示意圖

3505 綜采工作面回采過程中主要出水水源為頂板裂隙水以及底板奧灰水，其中底板奧灰水與開采的5# 煤層間距平均為61 m，含水層突水系數(shù)為0.035 MPa/m～0.043 MPa/m。采面屬于帶壓開采，為確保煤炭回采安全，提出采用物探方式對底板潛在的導水構造進行探測并使用鉆探進行綜合分析。

2 物探探測

采用瞬變電磁法對3505 綜采工作面底板地質(zhì)構造進行探測。瞬變電磁場對地質(zhì)構造含水體（低阻水體）具有較高的敏感性，同時該技術具有探測深度大、分辨率高等特點，可實現(xiàn)含水水體以及導水地質(zhì)構造精準探測。根據(jù)3505 綜采工作面實際地質(zhì)條件，布置測點對底板進行探測，具體獲取到的探測成果見圖2所示。

圖2 瞬變電磁探測成果圖

從3505 綜采工作面底板瞬變電磁探測成果得出，采面底板內(nèi)圈定有低阻異常區(qū)，該區(qū)域主要集中在采面運輸巷560 m～610 m 位置，距離5#煤層底板約45 m，屬于輕中度異常區(qū)，預計異常區(qū)內(nèi)富水性中等偏弱。綜合已有地質(zhì)資料推斷，瞬變電磁探測確定的地質(zhì)異常區(qū)為斷層尖滅區(qū)，區(qū)域內(nèi)含水且裂隙較為發(fā)育，從而導致瞬變電磁探測出現(xiàn)低阻情況。

3 鉆探設計及評價分析

3.1 探測鉆孔設計

為了探測瞬變電磁圈定的底板異常區(qū)導水性、富水性以及對采面回采影響，在采面內(nèi)布置鉆場對物探異常區(qū)進行鉆探分析。采面內(nèi)共計布置2 個鉆場、3 個探測鉆孔，其中1#鉆場位于運輸巷575m 位置、鉆場內(nèi)布置2 個探測鉆孔；2#鉆場位于運輸巷605 m 位置，鉆場內(nèi)布置1 個探測鉆孔。具體采面內(nèi)探測鉆孔布置參數(shù)見表1 所示。具體探測鉆孔布置見第107 頁圖3 所示。

圖3 探測鉆孔布置示意圖

表1 探測鉆孔施工參數(shù)

在采面內(nèi)施工的底板探測鉆孔為二級套管結構，具體施工步驟為：

1）底板探測鉆孔開孔孔徑133 mm，當鉆孔鉆進深度為11m 后，在鉆孔內(nèi)下放長度10 m、直徑108 mm套管，并注漿加固下放套管區(qū)域；待注漿加固24 h后，對鉆孔進行耐壓試驗，試驗壓力設計為3 MPa～4 MPa，保壓30 min，當鉆孔壁未出現(xiàn)滲漏則表示合格。

2）鉆孔以94 mm 孔徑繼續(xù)鉆進31 m，后下放長度30 mm、直徑89 mm 套管，并進行固管。套管施工完成后按照要求進行試壓。

3）采用75 mm 鉆頭繼續(xù)鉆進至設計孔深，當鉆孔出水后應及時對出水水壓、出水量等水文地質(zhì)參數(shù)進行記錄、測量。

3.2 探測成果分析

對3505 綜采工作面底板物探異常區(qū)施工的探測鉆孔施工數(shù)據(jù)進行記錄。其中，1#鉆場1-1 鉆孔在鉆進深度為78 m 時鉆孔開始出現(xiàn)涌水情況，其涌水量穩(wěn)定在1.5 m3/h、水頭壓力為2.1 MPa；1-2 鉆孔鉆進至93 m 深度時鉆孔有涌水情況發(fā)生，其涌水量為0.7 m3/h、水頭壓力為2.2 MPa。2#鉆場2-1 鉆孔鉆進至90 m 深度時開始涌水，其涌水量為2.6 m3/h、水頭壓力為2.1 MPa。

底板探測鉆孔通過物探異常區(qū)時均為出現(xiàn)涌水情況，具體底板物探異常區(qū)內(nèi)鉆孔窺視圖見圖4 所示。鉆孔鉆進至底板奧灰水頂板后鉆孔開始出現(xiàn)出水情況，鉆孔出水量整體較小。通過鉆探分析可知，采面底板物探確定的異常區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育、富水性相對較差，不會給采面煤炭回采安全帶來較大威脅。

圖4 底板物探異常區(qū)內(nèi)鉆孔窺視圖

4 結語

由于3505 綜采工作面屬于帶壓開采，底板含水層沿著裂隙向回采涌出是采面回采時面臨的主要安全威脅。掌握底板地質(zhì)構造發(fā)育情況、針對性采取措施對構造地質(zhì)構造進行治理，對促進采面安全高效回采具有重要意義。為此，本文提出采用瞬變電磁法對采面內(nèi)地質(zhì)構造進行探測，并圈定地質(zhì)構造異常區(qū)；采用鉆探方式對存在的物探異常區(qū)進行分析、評價異常區(qū)導水性以及對采面回采影響程度。

根據(jù)3505 綜采工作面底板物探異常區(qū)圈定結果，對鉆探鉆孔進行設計?，F(xiàn)場施工的3 個探測鉆孔均鉆探至底板物探異常區(qū)內(nèi)且鉆孔在異常區(qū)內(nèi)鉆進時均未有出水情況，表明物探異常區(qū)富水性較差；鉆孔鉆進至底板奧灰水頂板后鉆孔有少量水涌出，涌水量較小。因此，判定底板物探異常區(qū)不會給采面回采安全帶來較大威脅。