煤層頂板水探放關(guān)鍵技術(shù)研究與探討

王 剛，宋雯靜，朱 偉

（1.棗莊礦業(yè)（集團）濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 微山 277606；2.山東煤炭學(xué)會，山東 濟南 250031）

0 引 言

井下物探通常可以采取諸如音頻電穿透等多種方法，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》的要求，采煤工作面應(yīng)當(dāng)選擇兩種以上方法，相互驗證[1]，采集數(shù)據(jù)，分析、處理、解釋數(shù)據(jù)，形成此成果報告，為工作面回采提供基礎(chǔ)物探資料，若發(fā)現(xiàn)斷層、裂隙或者陷落柱等構(gòu)造充水的，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的安全措施；否則，不得回采。物探報告中煤層頂板富水異常區(qū)的疏放治理，是對頂板導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層或者其他水體的一種超前治理，杜絕工作面生產(chǎn)突水的重要措施[1]。

1 頂板水的分類和富水區(qū)的判定

1.1 水害類型

水害類型指地表水、孔隙水、巖溶水、斷裂構(gòu)造水、頂板水、底板水等多種水[2]。

1.2 頂板水

1）開采煤層頂部無采空區(qū)積水，即開采煤層上部無已開采的煤層，這時頂板水指的就是煤層頂板含水層對應(yīng)的水體。

2）正在開采煤層上部煤層已被開采，且采空區(qū)內(nèi)有積水，這時的頂板水指的就是老空水。

這里的頂板水類型的劃分主要以空間分布來劃分的，確定好頂板水的類型，才能為疏放技術(shù)提供有力佐證；細(xì)分一下水源，頂板水的水源除生產(chǎn)涌水，基本上還是含水層水體為主。

1.3 富水異常區(qū)空間層位

1.3.1 物探分析

經(jīng)物探報告分析，某工作面頂板方向上共存在2 處低阻異常區(qū)域為Ⅰ、Ⅱ，Ⅰ區(qū)分布在工作面內(nèi)，距切眼215～290 m，異常高度15～65 m，異常寬度3～53 m；Ⅱ區(qū)在工作面內(nèi)，距切眼300～385 m，異常高度17～80 m，異常寬度5～73 m，見圖1。

圖1 富水異常區(qū)域范圍

1.3.2 瞬變電磁探測

1）瞬變電磁法是在地面瞬變電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，不同之處為進行的場所不同，礦井瞬變電磁法在井下巷道內(nèi)進行，而瞬變電磁場呈全空間分布，故全空間效應(yīng)為礦井瞬變電磁法固有的問題（見圖2）。但此法在探測井下工作面頂?shù)装搴畬拥暮闆r方面具有其自身的優(yōu)勢，如：施工空間小、指向性強、橫向分辨率高等。

圖2 瞬變電磁半空間與全空間煙圈效應(yīng)示意圖

2）高阻介質(zhì)易于通過電磁波，但是對直流電場卻有一定的屏蔽性，煤層作為高阻介質(zhì)，對TEM 沒有屏蔽性，接收圈接收的信號來自于發(fā)射圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。故可根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)資料加以綜合分析來判定異常體的空間位置。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法即通過對采集到的數(shù)據(jù)進行去噪處理后計算出視電阻率曲線，再通過時深轉(zhuǎn)換處理得到各測線視電阻率斷面圖，最后結(jié)合礦井地質(zhì)資料綜合分析各因素劃分出巖層富水區(qū)的分布范圍。

查閱礦井瞬變電磁法的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]，對礦井瞬變電磁法的應(yīng)用情況得出以下認(rèn)知：

1）作為時間域電磁感應(yīng)法的補充和完善，因其在巷道圍巖介質(zhì)中具有有全空間效應(yīng)和巷道影響，因此巷道影響下的全空間瞬變電磁場的分布變化規(guī)律也是礦井瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)。

2）實踐表明為提高瞬變電磁場的強度而采用的通過增加線圈匝數(shù)的做法有效的提高了探測信號信噪比，但卻引起了視電阻率計算值偏低且偏離實際情況很大，需進行校正。

3）合理選擇測點位置，采用多次疊加技術(shù)有效保證了井下探測質(zhì)量，避免了由于一些客觀因素對觀測結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時發(fā)射和接收線圈的位置及角度對提高地質(zhì)應(yīng)用效果也極為重要。

4）陳強、趙敏等的研究[6-8]表明礦井瞬變電磁法具有其自身優(yōu)勢如：巷道施工空間對TEM 法限制小、測量方法的選擇更為靈活等。因此，巷道影響下全空間瞬變電磁場正演理論的建立，不僅能擴大此方法的應(yīng)用領(lǐng)域同時在高滲透應(yīng)力條件下水與瓦斯突出的預(yù)測預(yù)報等應(yīng)用中也前景良好。

2 導(dǎo)水裂隙帶及地層分布

2.1 工作面導(dǎo)水裂縫帶高度

根據(jù)參考文獻(xiàn)1 中對《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)范》（以下簡稱《建下規(guī)范》）附表6-2 中硬型巖層公式計算導(dǎo)水裂縫帶高度[1]。

公式（1）（《建下規(guī)范》附表6-2 公式之一。為增大安全系數(shù)，中誤差取+5.6）：

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，（m）；ΣM為累計采厚，（m）；采厚3.5m。

則導(dǎo)水裂縫帶最大高度為：

公式（2）（《規(guī)程》附表6-2 中公式之二。參數(shù)同前）：

導(dǎo)水裂縫帶高度取公式（1）和公式（2）計算的最大值，即：導(dǎo)水裂縫帶高度47.4 m[1]。

2.2 3 上煤頂部含水層分布

2.2.1 下石盒子組底部砂巖

下石盒子組巖性以厚層雜色泥巖、灰綠色粉砂巖為主，間夾細(xì)、中、粗砂巖。下石盒子組底部砂巖以中、細(xì)砂巖為主，平均厚度15.5 m，下距3上煤層頂板99.41 m。砂巖成分以石英為主，次為長石，多為泥、鈣、硅質(zhì)膠結(jié)，具裂隙，充填方解石。

石盒子組地層大部地區(qū)為上侏羅統(tǒng)地層所覆蓋，埋藏較深。本組上部巖性主要為厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖，因此，難以接受上侏羅統(tǒng)礫巖水的下滲補給。井田內(nèi)抽水試驗2 次，單位涌水量0.005 5～0.028 3 L/s·m，礦化度0.637 g/L，水化學(xué)類型HCO3-·Cl·SO4-Na，富水性弱。因此下石盒子組底部砂巖含水層對本工作面無影響。

2.2.2 煤頂?shù)撞可皫r

煤頂部巖性以中砂巖為主，局部相變?yōu)榉凵皫r、砂質(zhì)泥巖。砂巖平均厚度26.01 m，泥鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，具裂隙，內(nèi)充填方解石，局部中砂巖裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.000 04～0.005 9 L/s·m，水化學(xué)類型HCO3-Na·Ca～HCO3·SO4-Na，礦化度0.235～0.842 g/L，富水性弱。

煤頂?shù)撞可皫r最大埋深850 m，無露頭，補給條件差，富水性弱，以靜儲量為主。煤頂部砂巖水為工作面回采期間的涌水水源。

2.2.3 太原組第三層石灰?guī)r

3上煤底部主要含水層為太原組三灰，距3上煤層底板平均距離88.44 m，含水層平均厚度9.3 m，富水性不均一。三灰無露頭，補給條件差，以靜儲量為主，充水空間不發(fā)育。

2.2.4 奧陶系灰?guī)r

井田內(nèi)有19 個孔揭露奧灰，最大揭露厚度83.52 m（X6-17 號孔）。其中漏水孔6 個，漏水孔率31.7%。從鉆探取芯觀察，奧灰裂隙發(fā)育，充填方解石，有溶蝕現(xiàn)象。單位涌水量為0.003 8～0.561 L/s.m，水化學(xué)類型為SO4- Ca·Na、SO4-Na·Ca，礦化度4.677～4.901g/L。

2.3 工作面突水性危險性分析評價

根據(jù)礦井2021-1 奧灰水長觀孔，水位-125.7 m計算奧灰突水系數(shù)。

根據(jù)礦井2021-2 三灰長觀孔，水位-598.5 m計算三灰突水系數(shù)。

2.4 鉆孔布置分析

1）異常區(qū)最高發(fā)育高度為80 m，按照煤層傾角9°計算，發(fā)育高度層位約為頂板上79 m，根據(jù)煤層頂板含水層分布富水異常區(qū)接近下石盒子組底部砂巖含水層；且石盒子組含水層富水性明顯大于3 煤頂板砂巖含水層富水性。

2）導(dǎo)水裂縫帶高度取公式（2）計算的最大值，即：導(dǎo)水裂縫帶高度47.4 m，對應(yīng)層位為煤頂部約16 m 泥巖底部，泥巖為隔水層，且根據(jù)鉆孔分析完整無構(gòu)造影響，為完整隔水層。

3）施工探放水鉆孔的目的是為了認(rèn)為形成導(dǎo)水通道，對富水異常區(qū)進行疏放，防止推采期間頂板裂隙導(dǎo)通富水區(qū)造成突水事故。這里我們就是討論，探放水鉆孔施工是否要穿過富水異常區(qū)。

4）根據(jù)各規(guī)程、細(xì)則分析，沒有明確要求穿過富水異常區(qū)，但是必須做到物探、鉆探相互驗證；鉆孔作為人為形成的導(dǎo)水通道，施工至下石盒子組含水層，相當(dāng)于對下石盒子含水層進行疏放，導(dǎo)致含水層周邊的水體匯聚，順著導(dǎo)水通道形成自流水。

5）綜上分析，富水異常區(qū)的疏放，應(yīng)當(dāng)結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和煤層頂板含水層及巖層含（隔）水性進行綜合分析，穿過含水層并不是最好的疏放手段，極有可能人為形成導(dǎo)水通道，造成對生產(chǎn)的負(fù)面影響。在后期資料處理和解釋中，針對本次探測的地質(zhì)任務(wù)的特點，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料并采取相應(yīng)的技術(shù)手段經(jīng)過全面的分析和處理，大大提高了成果的可靠度。

6）探放水工程作為治理水害的重要手段，各方面都要考慮到，不能大而化之，具體情況具體分析，同樣的基礎(chǔ)資料，不同的分析思路，得到解決問題的方法也不同，局限大大制約了治理的效果。

2.5 防治水措施

1）道低洼點施工水倉，工作面回采前，必須提前形成完善的排水系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)施，保證2 路排水管路。確保工作面排水能力不小于最大涌水量的1.5倍。各排水點準(zhǔn)備好備用水泵、接頭，易于連接更換，確保備用泵、開關(guān)、并線隨時啟動。加強對沿途臨時水倉、中央水倉水泵及排水管路等設(shè)備檢修檢查，完善排水系統(tǒng)，保證排水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

2）加強工作面初次來壓及頂板初次跨落期間水情水害觀測工作，并在機頭排水點處配備2 臺流量不小于最大涌水量1.5 倍的水泵，1 臺工作，1 臺備用。以便涌水及時排入水溝內(nèi)。

3）完善避災(zāi)路線與應(yīng)急處置措施，加強安全技術(shù)措施的貫徹學(xué)習(xí)和日常警示教育培訓(xùn)，提高職工安全意識。

3 離層水與頂板水鉆孔的關(guān)系討論

3.1 離層水

1）離層水，即離層空腔積水，煤層開采后，由頂板覆巖不均勻變形及破壞而形成。

離層水也是頂板水害類型之一，受威脅的礦井，應(yīng)提前判斷出離層發(fā)育的層位，并采取一定的手段，破壞離層空間的封閉性、預(yù)先疏放離層的補給水源或者超前疏放離層水等。

2）一個工作面是否有離層水的形成主要取決于上覆巖層的巖性、富水性、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度及導(dǎo)水通道4 個要點。因離層水發(fā)生的事故較少，很多單位對離層水的認(rèn)知比較淺顯；經(jīng)過長期的開采經(jīng)驗分析，離層水形成需要一個過程，是一個采空區(qū)面積隨回采增加、隔水層巖層發(fā)生彎曲變形形成空腔、含水層水量向空腔匯聚、巖層超過形變極限發(fā)生斷裂、水量突然涌出的一個過程。

3）因此離層水的形成必須存在含水層、隔水層，分析煤層上部巖層性質(zhì)，是判斷離層水形成的一個重要手段；礦井地質(zhì)勘察階段、地質(zhì)補充勘探施工的鉆孔對分析離層水的形成有非常重要的意義[9]。本次研究的礦井和以往開采經(jīng)驗分析，經(jīng)過水文孔等抽放水實驗驗證，3 煤頂板泥巖為隔水層，砂巖為弱富水性含水層；結(jié)合煤層上部巖性，具備形成離層水的條件。根據(jù)已有回采結(jié)束的2 個工作面具體分析，工作面跨度大的，在回采結(jié)束3 個月后，采空區(qū)積水從密閉墻返水池流出；工作面跨度小的，回采結(jié)束接近一年采空區(qū)積水從密閉返水池流出；2 個工作面的頂板水都通過前期物探進行探查，且進行鉆探驗證，回采期間并沒有發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有水溢出，說名頂板砂巖含水層為弱富水性，符合水文孔抽水試驗結(jié)論，但是回采結(jié)束后采空水溢出，應(yīng)為含水層水匯聚產(chǎn)生，根據(jù)水量推測為離層水，但是發(fā)生的時間不一樣，主要的影響因素為以下幾方面：頂板巖性的硬度、工作面跨度、推采進度、彎曲下沉帶的形成面積等。

3.2 超前鉆探形成導(dǎo)水通道

1）分析離層水形成的機理，結(jié)合形成要素才能對癥下藥，精準(zhǔn)治理，物探結(jié)果只能為我們提供富水異常區(qū)和構(gòu)造異常區(qū)的參考建議，但是卻沒有為我們提供因采動影響而人為形成的水害，是必須要正視的問題。

2）在現(xiàn)在已有的治理手段中，超前疏放是一個有效手段，但是離層水是因為采動過程中形成的，超前疏放就需要通過分析離層水形成的空間形態(tài)和空間位置；這就需要從三帶形成理論方面來分析了，離層水的形成主要就在彎曲下沉帶部位，因此我們這里最主要的任務(wù)就是分析彎曲下沉帶形成軸部位于工作面位置，并根據(jù)冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度來確定鉆孔施工層位，避免因遠(yuǎn)距離施工導(dǎo)致穿透其他強含水層，形成導(dǎo)水通道，給生產(chǎn)帶來重大影響。

3）只做物探而沒有綜合全面分析是片面的，更是不負(fù)責(zé)任的，物探、以往物探資料、三帶觀測資料、巖層分析等，缺一不可，要效益，我們更應(yīng)該要安全；以往地質(zhì)勘探資料為礦井開采提供的是指導(dǎo)意見，高精度物探資料、報告，提供的則是精細(xì)化、準(zhǔn)確化的地質(zhì)資料，突水性危險性分析評價做出的總結(jié)針對的是全井田范圍內(nèi)的評價，而針對某一工作面必須單獨進行物探，這就是考慮地質(zhì)勘探的誤差性。對待水害治理如果只是疲于應(yīng)付，不能形成自己完整、科學(xué)的治理體系，是存在隱患的，成立專業(yè)的分析機構(gòu)是比不可少的，也是大勢所趨。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)辯證的看待礦井物探的多解性，即富水區(qū)在不同時期存在不同的階段特性，物探工作所獲取的資料是地層、構(gòu)造及賦存水體在靜態(tài)下的反映，而受到井下采掘活動的影響，地應(yīng)力及地質(zhì)水文情況均會有不同程度的變化。

2）因物探資料與實際地質(zhì)資料不能結(jié)合分析，非但不能取得治理效果，反而會形成新的隱患，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害；新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用也必須配合新的理念，才能取得好的效果，對今后工程的施工都具有研究價值。

3）水害治理不是一個階段性的工作，而是長期動態(tài)的治理方式，水害形成的過程就是我們治理的過程；同一地點的水源經(jīng)過時間、空間的發(fā)酵，形成的水害類型也是不一樣的[10]，先進的治理理念和科學(xué)的治理手段充分應(yīng)用到災(zāi)害治理中，對煤礦開采現(xiàn)階段具有十分重要的意義。