基于綜合物探的承壓開(kāi)采回采工作面底板注漿治理效果分析

周鵬

（霍州煤電集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

1 概況

承壓開(kāi)采回采工作面需在回采前進(jìn)行底板注漿加固及含水層堵水工作。山西焦煤霍州煤電汾源煤業(yè)5-104 工作面底板標(biāo)高+1 125—+1 187 m，根據(jù)礦井水文地質(zhì)勘探報(bào)告資料顯示，奧灰水水位標(biāo)高為+1 466 m，工作面帶壓開(kāi)采，帶壓2.79～3.14 MPa。5 號(hào)煤層底板距下覆奧灰頂面平均間距為62 m，突水系數(shù)為0.045～0.050 MPa/m。因此，工作面需在回采前進(jìn)行底板注漿加固及含水層堵水工作，注漿加固的范圍如圖1 所示。

圖1 注漿加固范圍平、剖面圖Fig.1 Plane and profile of grouting reinforcement range

為了驗(yàn)證此次注漿堵水的效果，開(kāi)展了綜合物探探測(cè)。分別在5-104 工作面注漿前后進(jìn)行了多次探查，將綜合物探成果進(jìn)行分析對(duì)比，以檢驗(yàn)物探范圍內(nèi)底板注漿改造工程的質(zhì)量與效果，評(píng)價(jià)工作面回采時(shí)的水患威脅性，保障工作面生產(chǎn)生產(chǎn)安全。

2 注漿前物探成果

注漿前采用瞬變電磁勘探，目地是查明原生態(tài)下回采面底板下部灰?guī)r含水層富水性及導(dǎo)水裂隙帶的分布情況，如圖2 所示。

圖2 原生態(tài)下瞬變電磁底板電阻率等值線圖Fig.2 Floor resistivity contour map of transient electromagnetic in original ecology

此次瞬變電磁探測(cè)共發(fā)現(xiàn)6 處明顯的低阻異常區(qū)，Y2 異常區(qū)表現(xiàn)為底板淺層K1 含水層相對(duì)富水，Y1、Y3、Y4、Y5、Y6 異常區(qū)可能表現(xiàn)為底板奧灰含水層相對(duì)富水。

根據(jù)第一次物探結(jié)果，對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)加固，鉆探驗(yàn)證，采用全覆蓋注漿加固方法對(duì)其底板破碎帶、含水層、斷層等應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行加固。礦井共施工9 個(gè)鉆場(chǎng)、98 個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺12 322 m。

3 注漿期間物探

3.1 注漿后第一次物探

此次采用瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行勘探，探測(cè)目的是完成第一次注漿后，探測(cè)5-104 工作面煤層下覆奧灰含水層富水性，探測(cè)工作面下部斷層的含導(dǎo)水特征。

3.1.1 物探成果解釋

此次探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置于5-1041 巷和5-104 切巷內(nèi)部順層方向、底板45°方向和底板方向，如圖3所示。以10 m 點(diǎn)距布置測(cè)點(diǎn)，根據(jù)視電阻率擬斷面圖并綜合水文地質(zhì)資料，共圈定8 個(gè)明顯低阻異常區(qū)，分別編號(hào)為S1～S8，如圖4 所示。

圖3 注漿后第一次物探測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Measuring point layout of first geophysical exploration after grouting

圖4 注漿后第一次物探設(shè)計(jì)及成果Fig.4 Design and results of first geophysical exploration after grouting

（1） 奧灰為5-104 工作面下部的主要承壓含水層和工作面的間接充水含水層。綜合電探測(cè)顯示奧灰富水性較好，推斷較大范圍的含水區(qū)主要位于工作面中部和南部靠近5-1041 巷的區(qū)域。S4 異常區(qū)可能受F49H=2.9 m∠42°斷層影響，除S1、S3外的其它推斷含水區(qū)域，均存在與奧灰發(fā)生水力聯(lián)系的可能性。

（2） 5-1041 巷揭露的斷層F49 位于推斷的可能含水區(qū)S4 內(nèi)，斷層含導(dǎo)水的可能性較大，應(yīng)采取有效防治水措施阻斷工作面底板與下部含水層之間的水力聯(lián)系。其它地段的揭露斷層附近未發(fā)現(xiàn)視電阻率低阻異常區(qū)，但不能排除含導(dǎo)水的可能性。

（3） 5-104 工作面內(nèi)部推斷可能含水區(qū)特別是奧灰可能含水區(qū)分布范圍較大。

3.1.2 注漿后第一次物探成果對(duì)比分析

注漿加固過(guò)程中對(duì)注漿前物探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的6處異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆探驗(yàn)證后Y1、Y2、Y3異常區(qū)消失。第一次檢驗(yàn)鉆場(chǎng)共施工12 個(gè)注漿鉆孔，總出水量179 m3/h，其中砂巖出水量29 m3/h，太原組灰?guī)r出水量2 m3/h，O2S 灰?guī)r出水量148 m3/h，O2S 灰?guī)r單孔最大涌水量為鉆孔檢1-8 出水量55 m3/h，局部可能存在導(dǎo)水裂隙，需進(jìn)一步檢驗(yàn)。砂巖水量減少，經(jīng)過(guò)注漿加固已基本切斷各含水層之間的導(dǎo)水通道。

3.2 注漿后第二次物探

此次采用瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行勘探，探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置于5-1041 巷、5-1042 巷和5-104 切巷內(nèi)部順層方向、底板45°方向和底板方向，電磁法以10 m 的點(diǎn)距布置測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示。探測(cè)成果如圖6 所示。

圖5 注漿后第二次物探測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Measuring point layout of second geophysical exploration after grouting

圖6 注漿后第二次物探設(shè)計(jì)及成果Fig.6 Design and results of second geophysical exploration after grouting

3.2.1 物探成果解釋

（1） 奧灰為5-104 工作面下部的主要承壓含水層和工作面的間接充水含水層。綜合電探測(cè)顯示奧灰富水性較好，推斷較大范圍的含水區(qū)主要位于工作面中部和南部靠近5-1041 巷的區(qū)域。S7 異常區(qū)范圍內(nèi)可能受F49 H=2.9m∠42°斷層影響，除S1 外的其它推斷含水區(qū)域，均存在與奧灰發(fā)生水力聯(lián)系的可能性。

（2） 5-1041 巷揭露的斷層F49 位于推斷的可能含水區(qū)S7 內(nèi)，斷層含導(dǎo)水的可能性較大，應(yīng)采取有效防治水措施阻斷工作面底板與下部含水層之間的水力聯(lián)系。其它地段的揭露斷層附近未發(fā)現(xiàn)視電阻率低阻異常區(qū)，但不能排除含導(dǎo)水的可能性。

（3） 5-104 工作面內(nèi)部推斷可能含水區(qū)特別是奧灰可能含水區(qū)分布范圍較大。

3.2.2 注漿后第一次與第二次物探結(jié)果對(duì)比分析

將注漿后第一次與第二次物探所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)底板異常區(qū)及奧灰異常區(qū)的注漿效果展開(kāi)分析。物探異常區(qū)相對(duì)位置如圖7 所示（淺色線條范圍內(nèi)為注漿后第一次物探異常區(qū)，深色線條范圍內(nèi)為注漿后第二次異常區(qū)）。

圖7 注漿后第一、二次物探異常區(qū)相對(duì)位置圖Fig.7 The relative position of the first and second geophysical abnormal areas after grouting

（1） 異常區(qū)域范圍發(fā)生變化。

第二次物探異常區(qū)S7、S8 異常區(qū)范圍減小最明顯，異常區(qū)周圍出水量減小，出水層位不變，推測(cè)經(jīng)過(guò)檢1-5、檢1-6 注漿加固，奧陶系灰?guī)r頂面的裂隙通道得到了改造，但仍需進(jìn)行后期檢驗(yàn)。分析認(rèn)為，異常區(qū)域范圍的變化主要是由于經(jīng)過(guò)注漿鉆孔加固、第一次檢驗(yàn)鉆孔的補(bǔ)充注漿加固工程，注漿加固效果良好，部分異常區(qū)域裂隙通道得到有效的控制，需要進(jìn)行第二次檢驗(yàn)，對(duì)未控制異常區(qū)，進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)加固。

（2） 異常區(qū)域數(shù)量發(fā)生變化。

第一次物探中奧灰異常區(qū)中的S5 區(qū)域在第二次物探中消失除去，對(duì)于新增異常區(qū)范圍，在第二次鉆探檢驗(yàn)時(shí)均設(shè)計(jì)了鉆孔對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，以達(dá)到控制、消除的目的。兩次物探新增異常區(qū)中兩次檢驗(yàn)鉆孔與前期鉆孔涌水量、注漿量對(duì)比如圖8所示。

圖8 物探新增異常區(qū)涌水量與注漿量對(duì)比直方圖Fig.8 The comparison histogram of water inflowand grouting volume in the newabnormal area of geophysical exploration

第二次物探結(jié)束后，結(jié)合最新物探結(jié)果，根據(jù)汾源煤業(yè)5-104 工作面瞬變電磁法探測(cè)報(bào)告探測(cè)的異常區(qū)域，結(jié)合5-104 工作面底板加固改造治理方案已經(jīng)施工結(jié)束的鉆孔情況，在工作面內(nèi)進(jìn)行第二次鉆探檢驗(yàn)，對(duì)前期注漿加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

第二次檢驗(yàn)鉆場(chǎng)共施工14 個(gè)注漿鉆孔，總出水量124 m3/h，其中砂巖出水量36 m3/h，太原組灰?guī)r出水量3 m3/h，O2S 灰?guī)r出水量85 m3/h，O2S 灰?guī)r單孔最大涌水量為鉆孔檢2-11 出水量30 m3/h，局部可能存在導(dǎo)水裂隙，需進(jìn)一步檢驗(yàn)。砂巖水量減少，經(jīng)過(guò)注漿加固已基本切斷各含水層之間的導(dǎo)水通道。

3.3 注漿后第三次物探

此次探測(cè)目的及任務(wù)是利用礦井瞬變電磁和直流電法兩種物探技術(shù)對(duì)比勘探、相互驗(yàn)證，探查5-104 工作面內(nèi)部及外圍30 m 煤層、底板100 m范圍內(nèi)的巖層賦水性情況，劃分相對(duì)貧、富水區(qū)域，以檢驗(yàn)物探范圍內(nèi)底板注漿改造工程的質(zhì)量與效果。

通過(guò)綜合對(duì)比和細(xì)致分析，得出綜合物探的勘探結(jié)論，5-104 工作面綜合物探5 號(hào)煤層底板巖層異常區(qū)分布如圖9 所示。

3.3.1 物探成果解釋

（1） 奧灰為5-104 工作面下部的主要承壓含水層和工作面的間接充水含水層。綜合電探測(cè)顯示奧灰富水性較好，在探測(cè)范圍內(nèi)推斷10 處奧灰可能的含水區(qū)，推斷較大范圍的含水區(qū)主要位于工作面中部和南部靠近5-1041 巷的區(qū)域。

（2） 5-1041 巷揭露的斷層F49 位于推斷的S7、C1 可能含水區(qū)內(nèi)，斷層含導(dǎo)水的可能性較大，應(yīng)采取有效防治水措施阻斷工作面底板與下部含水層之間的水力聯(lián)系。其它地段的揭露斷層附近未發(fā)現(xiàn)視電阻率低阻異常區(qū)，但不能排除含導(dǎo)水的可能性。

3.3.2 注漿后第二次與第三次物探結(jié)果對(duì)比分析

注漿后第二、第三次物探異常區(qū)相對(duì)位置如圖10 所示（黑色線條范圍內(nèi)為第二次物探異常區(qū)，淺色線條范圍內(nèi)為第三次物探異常區(qū)）。

（1） 異常區(qū)域范圍發(fā)生變化。

第二次物探過(guò)程中S4、S7 阻值增大，根據(jù)第二次檢驗(yàn)鉆孔（檢2-6、檢2-7） 和第三次檢驗(yàn)鉆孔（檢3-10、檢3-11、檢3-12） 施工情況對(duì)比分析，第三次檢驗(yàn)鉆孔出水量較小，分析認(rèn)為由于物探的不確定性和多解性所致。經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證后，物探異常區(qū)消除。綜上，S4、S7 物探異常區(qū)域注漿加固（改造） 效果達(dá)標(biāo)。

（2） 異常區(qū)域數(shù)量發(fā)生變化。

第二次物探中異常區(qū)中的S5、S10 區(qū)域在第三次物探中消失除去，在第三次物探中未出現(xiàn)新的異常區(qū)，對(duì)于未消除的異常區(qū)與范圍，在第三次鉆探檢驗(yàn)時(shí)均設(shè)計(jì)了鉆孔對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，以達(dá)到控制、消除的目的。對(duì)于第二次檢驗(yàn)效果不達(dá)標(biāo)鉆孔檢2-3、檢2-6、檢2-8、檢2-11（最大出水量大于5 m3/h） 的區(qū)域，在其周圍布設(shè)檢驗(yàn)鉆孔最大涌水量均≤5 m3/h。檢驗(yàn)效果不達(dá)標(biāo)區(qū)域與第三次檢驗(yàn)鉆孔涌水量、注漿量對(duì)比如圖11 所示。

圖11 檢驗(yàn)效果不達(dá)標(biāo)區(qū)域鉆孔涌水量、注漿量對(duì)比直方圖Fig.11 The comparison histogram of drilling hole water inflowand grouting volume in the area with the test effect under standard

4 加固檢驗(yàn)效果分析

針對(duì)注漿后3 次物探中重復(fù)重點(diǎn)S2、S4、S5、S6、S7、S8 含水層異常區(qū)域，對(duì)含水層異常區(qū)域內(nèi)5-104 工作面注漿加固鉆孔、第一次檢驗(yàn)鉆孔、第二次檢驗(yàn)鉆孔和第三次檢驗(yàn)鉆孔對(duì)應(yīng)層位的出水量及注漿量進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)直方圖，對(duì)注漿效果開(kāi)展分析。

4.1 S2 異常區(qū)注漿加固效果分析

出水量及注漿量對(duì)比直方圖如圖12 所示（圖中所示出水量和注漿量為各異常區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)層位的鉆孔總出水量與注漿量）。

圖12 S2 異常區(qū)出水量及注漿量對(duì)比直方圖Fig.12 The comparison histogram of water inflowand grouting volume of No.S2 abnormal area

通過(guò)對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)注漿加固鉆孔和第一次檢驗(yàn)鉆孔施工后，第一次物探中的S2 奧灰異常區(qū)域鉆孔涌水量由147 m3/h、17 m3/h 和40 m3/h 降為14 m3/h、8 m3/h，注漿量由383.9 t、25 t 和174.6 t 變?yōu)?3.5 t、6 t；經(jīng)過(guò)第二次檢驗(yàn)鉆孔的補(bǔ)充注漿加固后，鉆孔涌水量由14 m3/h、8 m3/h 變?yōu)?0 m3/h、13 m3/h，注漿量由53.5 t、6 t 變?yōu)?0.9 t、3 t；經(jīng)過(guò)第三次檢驗(yàn)鉆孔的補(bǔ)充注漿加固后，鉆孔涌水量由30 m3/h、13 m3/h 降為0、4 m3/h，注漿量由50.9 t、3 t 變?yōu)?.6 t、1.5 t。

第三次檢驗(yàn)鉆孔涌水量均小于5 m3/h，注漿加固效果明顯，滿足注漿加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，物探結(jié)果也表明，第一次物探中的S2 奧灰異常區(qū)域在第二次、第三次物探中面積大大減小。綜上所述，該區(qū)域注漿檢驗(yàn)效果達(dá)標(biāo)。

4.2 其他異常區(qū)效果

根據(jù)S2 異常區(qū)出水量注漿對(duì)比直方圖，依次類推，如圖13 所示，S4、S5、S6、S7、S8 區(qū)域注漿檢驗(yàn)效果均達(dá)標(biāo)。

圖13 S4、S5、S6、S7、S8 異常區(qū)出水量注漿對(duì)比直方圖Fig.13 The comparison histogram of water inflowand grouting volume of No.S4,No.S5,No.S6,No.S7,No.S8 abnormal area

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)比分析，新增物探異常區(qū)內(nèi)檢驗(yàn)鉆孔的涌水量和注漿量整體上均有不同程度的減小，并且第三次檢驗(yàn)鉆孔的最大涌水量均≤5 m3/h，均在合理的范圍內(nèi)，對(duì)于新增異常區(qū)，分析認(rèn)為由于物探的不確定性和多解性所致，通過(guò)鉆探檢驗(yàn)結(jié)果證明，異常區(qū)均消除，說(shuō)明經(jīng)過(guò)注漿鉆孔加固、第一次、第二次和第三次檢驗(yàn)鉆孔的補(bǔ)充注漿加固后，注漿加固效果良好，異常區(qū)域裂隙通道得到有效的控制，異常區(qū)域注漿檢驗(yàn)效果達(dá)標(biāo)，工作面注漿治理后可安全回采。