采面底板物探異常區(qū)鉆探鉆孔設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

李 賀

（晉能控股集團(tuán)有限公司潘家窯礦，山西大同 037003）

對(duì)已發(fā)現(xiàn)的采面底板的異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，是確保煤礦生產(chǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，許多學(xué)者都在對(duì)其進(jìn)行了深入的探索和驗(yàn)證，并在實(shí)踐中獲得了較好的結(jié)果。例如:史先志、張金陵等[1]對(duì)21109采面底板的防滲處理進(jìn)行了研究，利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)底板的擾動(dòng)程度進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并給出了相應(yīng)的防滲措施；劉寧[2]以陽(yáng)煤五廠8136 采面為實(shí)例，運(yùn)用物探技術(shù)勘探了礦區(qū)內(nèi)的非正常區(qū)域，并給出了相應(yīng)的鉆井方案；時(shí)繼虎[3]利用G1S技術(shù)，對(duì)煤礦災(zāi)害管理的信息化進(jìn)行了探討[1]。本文以晉能控股集團(tuán)某礦為實(shí)例，在2204開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)物探探測(cè)技術(shù)勘探發(fā)現(xiàn)的2204開(kāi)采底板的異常區(qū)域進(jìn)行了鉆井設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)估。

1 工程概述

1.1 采面概況

2204采面在2采區(qū)北部，東鄰2202面采空區(qū)，西側(cè)2206采面（實(shí)體煤），南部受地質(zhì)構(gòu)造影響較小的煤層，北部為采區(qū)運(yùn)輸、軌道及回風(fēng)巷。2204 采平面的設(shè)計(jì)向?yàn)?320m，坡長(zhǎng)150m，采面標(biāo)高+552～+631m，與地面標(biāo)高+890～+938m 相適應(yīng)。采面開(kāi)采5 號(hào)煤層，厚5.4m，煤的分布比較平穩(wěn)。

1.2 地質(zhì)概況

2204 采表面處于一單一斜段的上段，整個(gè)采平面總體表現(xiàn)為中間低、兩端高的傾向?；夭上锏篱_(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了12條斷層，全部為垂直斷裂，在斷裂的周圍，平均落差6m，煤體的厚度差異很大，頂面的裂隙比較大。

2204采區(qū)不存在陷落柱、巖漿巖入體現(xiàn)象，開(kāi)采面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)整體上處于中等水平。在采面采掘過(guò)程中，直接涌水水源主要是5號(hào)煤區(qū)頂板砂裂縫含水層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，每孔井涌水量在0.0125～0.0893L/(m·s)之間，富水性較弱，對(duì)工作面的生產(chǎn)沒(méi)有明顯的影響；采面間接水源在5 號(hào)煤的底板下伏灰?guī)r（水位+760m）與太原組（+720m）時(shí)，5號(hào)煤與灰?guī)r和太原組的距離分別為50m、78.6m。按照礦務(wù)局防洪辦水規(guī)處的相關(guān)計(jì)算方法，得到了太原組和石炭組的突水因子0.0269～0.0342MPa/m、0.0162～0.0513MPa/m。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，各斷面的突水因子普遍低于0.06MPa/m，因此，開(kāi)采表面不會(huì)受到基底壓力的影響。

開(kāi)采平面西側(cè)2202 采空區(qū)內(nèi)側(cè)的蓄水，經(jīng)過(guò)前期清理，目前在采空區(qū)有4～6m3/min 的動(dòng)力補(bǔ)水，但在疏泄過(guò)程中要密切觀察疏泄井眼的排水量，以防止井眼發(fā)生堵塞。

2 采面底板物探異常區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)

利用瞬變電磁方法對(duì)采面和底板進(jìn)行了檢測(cè)，并給出了具體的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)地球物理勘探，確定了YC1～YC6 的異常區(qū)，其中富水區(qū)2 個(gè)，高阻畸變區(qū)4 個(gè)。

異常區(qū)的具體分布為：YC1在5號(hào)煤的底板下74～106m 區(qū)間內(nèi),YC2 在5 號(hào)煤的底板下76～105m 區(qū)間內(nèi)，YC3 在5 號(hào)煤的下半部60～126m 區(qū)間內(nèi)，YC4 在5 號(hào)煤的下半部62～132m 區(qū)間內(nèi)，YC5 在5 號(hào)煤的底板下面59～124m區(qū)間內(nèi)，YC6在5號(hào)煤的底板下面69～114m區(qū)間內(nèi)。

圖1 瞬變電磁法勘探結(jié)果

在采面物理勘探成果的基礎(chǔ)上，決定布置6個(gè)勘探區(qū)和12個(gè)探井，共計(jì)2533m的鉆井進(jìn)尺，目的是為了對(duì)2204 采面進(jìn)行物理勘探所確定的異常區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而為以后的開(kāi)采工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該工程在ZDY1200S鉆井平臺(tái)上完成了探井工程的建設(shè)，詳細(xì)的鉆井布局指標(biāo)見(jiàn)表1。在鉆井作業(yè)中，要隨時(shí)觀察鉆井的涌水量、水壓和水溫，并且要保持5min 以上的時(shí)間，如果有任何的不正?，F(xiàn)象，就要及時(shí)停止鉆井，鉆孔共計(jì)注漿量為5.72t。

表1 探測(cè)鉆孔參數(shù)

該探井的井位、傾角、井眼等都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)探井施工過(guò)程中的涌水量的分析，發(fā)現(xiàn)12個(gè)探井中8 個(gè)井有水涌出，4 個(gè)井沒(méi)有出水，井下的最大涌水量見(jiàn)圖2。

圖2 探測(cè)鉆孔單孔最大涌水量統(tǒng)計(jì)圖

從圖2 可以看出，鉆井中有6 個(gè)井眼具有0～5m3/h的涌水量，占全部井眼（12 個(gè)）的50%；涌水量在5～10m3/h內(nèi)有1個(gè)井，占全部井眼（12個(gè)）的8.2%；涌水量為10～15m3/h的井總數(shù)0個(gè)；涌水量為15～20m3/h內(nèi)有1個(gè)井，占全部井眼（12個(gè)）的8.2%。

3.2 根據(jù)分析的果汁香氣成分和含量配制香精配方A，感官評(píng)價(jià)表明配方 A，雖然在一定程度上反映了百香果果汁香氣，但是不能體現(xiàn)百香果果汁香氣的天然香氣，且調(diào)配出來(lái)的香精化學(xué)氣息太濃，香氣分散，不宜作為食品香精使用。

通過(guò)對(duì)探井的注漿量進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)單一井眼的灌漿最大值為1.10t，最低為0.31t，而單一探井的平均注漿量為0.48t。根據(jù)觀測(cè)井眼的注漿量與井眼涌流量的變化規(guī)律，由圖3可知，井眼涌水量與灌漿流量成正比，井眼涌水量較大，鉆井中灌漿的數(shù)量很大，反之也是如此。通過(guò)對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行鉆井、灌漿，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常區(qū)裂縫進(jìn)行物理勘探，加強(qiáng)隔水層的強(qiáng)度和隔水率，并將其與上層的水流通路隔離開(kāi)來(lái)，這樣可以增加采區(qū)的安全度[2]。

圖3 探測(cè)鉆孔注漿量與鉆孔涌水量關(guān)系

3 物探異常區(qū)探測(cè)鉆孔施工及效果評(píng)價(jià)

異常區(qū)的勘探鉆孔全部通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)檢查，鉆孔的方位、傾角和鉆孔深度、封口的質(zhì)量和其它方面都達(dá)到了生產(chǎn)的需要。探井的位置布置得較好，井眼的排列間距和鉆進(jìn)層位都能滿足實(shí)際的要求。利用井下注漿量的檢測(cè)，可以有效地填充物探圈定的含水層裂縫，加強(qiáng)了隔水層的強(qiáng)度，并進(jìn)一步封閉了導(dǎo)水裂縫，增強(qiáng)了隔水層的強(qiáng)度和隔水能力。

太原組2204 采面上實(shí)測(cè)的最大壓強(qiáng)為1.95MPa。突水系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——含水層水頭壓力，MPa；

M——5號(hào)煤基礎(chǔ)上的隔水厚度，在加固后M取值為45m。

通過(guò)對(duì)2204采面的分析，得出了2204采面的突水因子為0.043MPa/m。結(jié)果顯示，在開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采表面沒(méi)有發(fā)生突水的風(fēng)險(xiǎn)，能夠達(dá)到開(kāi)采的要求。

在2204 礦的地球物理勘探成果的基礎(chǔ)上，采用了異常區(qū)的注水補(bǔ)孔技術(shù)。另外，在勘探的異位帶和檢測(cè)井的周圍，還增加了2個(gè)探井，在探井作業(yè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生過(guò)噴水。通過(guò)對(duì)補(bǔ)鉆孔的驗(yàn)證，證明了該方案的鉆井效果是顯著的。

對(duì)2204采面物探、異常區(qū)鉆孔布置、鉆探鉆孔涌水量、注漿量、后期驗(yàn)證鉆孔效果進(jìn)行了全面的分析，2204采面底板的灰?guī)r和太原組的灰?guī)r含水層具有中等富水性。

4 排水系統(tǒng)設(shè)置

通過(guò)對(duì)這次物探異常區(qū)域的注漿作業(yè)，發(fā)現(xiàn)該工程已成功地封閉了導(dǎo)水通道，減少了突水風(fēng)險(xiǎn)，在回采過(guò)程中，主要是由5號(hào)煤層的頂板砂巖水供給，其次是基底砂巖水，預(yù)計(jì)涌水量為10～1835m3/h，最大涌水量為35m3/h。

通過(guò)對(duì)2204 工作面回采涌水量的分析，提出了在回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷的低洼部位設(shè)置臨時(shí)水倉(cāng)，并利用BQS 50-30-7.5/N排水泵，通過(guò)下水道將臨時(shí)水倉(cāng)內(nèi)的水通過(guò)副暗井、車場(chǎng)水溝、水倉(cāng)排到地表。該工藝中應(yīng)特別指出，抽水系統(tǒng)為雙泵、雙電源，為了保證生產(chǎn)的安全，必須對(duì)井巷進(jìn)行及時(shí)的清洗[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在2204回采工作面勘探成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鉆井鉆孔，按施工條件進(jìn)行注漿，使采面底板異常區(qū)域出現(xiàn)的突水隱患得到了有效解決，從而確保了采面的安全。

（2）井眼涌水量和注漿量成正比關(guān)系，井眼涌水量大時(shí)，井眼灌漿量大，反之亦然。

（3）根據(jù)開(kāi)采過(guò)程中的涌水量，提出了設(shè)置一個(gè)臨時(shí)的儲(chǔ)水池，并安裝與之相匹配的排水泵和排水管道，以滿足排水要求，并能將地下水迅速排出。加強(qiáng)對(duì)排水道的維修，并及時(shí)清理巷道和水溝積水，防止堵塞。