侯世占

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司)



桑树坪煤矿11#煤层底板水文地质探查方案

侯世占

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司)

通过对桑树坪煤矿11#煤层底板水文地质特征的分析，确定采用物探钻探相结合的方式对11#煤层底板岩层水文地质情况进行探查。物探方案包括矿井瞬变电磁法超前探测、直流超前探测、音频电透视，钻探方案包括定向钻探、常规钻探。一旦查明异常区可能形成水害威胁，采用有效疏放或注浆封堵的方式进行治理，确保矿井生产安全。探查结果对于该矿11#煤层底板注浆、增加有效隔水层厚度有一定的参考价值。

水文地质特征物探钻探注浆封堵

桑树坪煤矿11#煤层与其底板奥灰岩间距较小，煤层标高位于奥灰水位标高(+380m)以下，其回采受奥灰水害威胁，在采掘工程揭露或发生突水之前应进行注浆改造(或封堵)治理，即利用注浆工程切断过水途径，达到预防或治理矿井水害的目的[1]。治理前，通过对11#煤层底板岩层水文地质情况进行探查，为底板注浆、增加有效隔水层厚度提供重要依据。

1　11#煤层底板概况

桑树坪煤矿11#煤层至奥灰含水层顶面5.62～74.92m，平均23.66m，隔水层厚度变化大，煤层底板承受最大的奥灰水压为2.75MPa，隔水层岩性组合以砂岩类岩层为主，砂岩、泥岩互层，11#煤层突水最大系数为0.282 8MPa/m，在井田中部和南部区域突水系数均大于0.06MPa/m。奥陶系石灰岩为一套碳酸盐岩，井田内总厚度约470.74m，根据矿井以往勘探获得的岩性组合、结构特征、埋藏条件、岩溶裂隙发育程度等信息，结合井田内钻孔抽水试验数据、出露特征和矿井涌水量等条件，对井田内奥灰岩地层进行了划分，结果见表1。

表1　桑树坪井田奥陶系石灰岩含(隔)水层段划分

峰峰组一段(O2f1)厚50～72.79m，岩性由灰绿色、灰黑色泥灰岩、泥质灰岩、灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩和角砾状泥灰岩互层组成，质地不均匀，泥质含量高达22.33%～32.49%。该段多呈薄层状，交互成层，垂向变化快，裂隙不发育，裂隙率为1%，且多被泥质充填，透水性弱。根据矿井压水试验结果，该段单位吸水量大部分小于0.001，为相对不透水层。桑树坪矿进行平二采区11#煤层地质补勘，施工211-6、211-7、211-9等3个水文孔时，均未发现该段地层漏水，其富水性较差，该层具有一定的相对隔水作用，可划分为隔水层。通过分析峰峰组一段的水文地质特征，确定以“注浆改造二段、直接利用一段”为宗旨，将峰峰组一段、二段作为11#煤层底板的隔水层加以利用，增加隔水层厚度，降低奥灰突水可能性。

2　探查方案

2.1物探方案2.1.1矿井瞬变电磁法超前探测

矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本一致，区别在于矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布，全空间效应成为矿井瞬变电磁法需要解决的问题[2-4]。煤层在一般情况下为高阻介质，电磁波易通过，故接收线圈接收到的信号为发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料进行综合分析确定。桑树坪煤矿井下瞬变电磁探测仪器为YCS2000型矿用瞬变电磁仪，该型仪器为煤矿井下含有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水和导水地质构造而设计制造的本质安全电磁法勘探仪器。矿井瞬变电磁法主要用于巷道掘进时的超前探测，矿井瞬变电磁法超前探测每次探测长度为80m，可掘进60m，迎头正前有20m探测盲区。11#煤层3109工作面设计进行5次瞬变电磁探查。

2.1.2直流超前探测

矿井直流电法超前探测技术是一种全空间电法勘探技术，以岩石(或煤)的电性差异为基础，在空间条件下建场，在地下巷道中进行电法测量工作，地下电流通过布置于巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立全空间稳定电场(该稳定电场特征取决于巷道周围岩石的电性特征及其赋存状态)并测量该电场的变化规律，使用全空间电场理论进行处理和解译，从而分析巷道周围岩石中引起电场变化的水文、地质构造规律，可广泛用于解决煤矿井下巷道掘进头前方100m范围内含水裂隙、岩溶、断层、陷落柱、老空区、火烧区等异常地质体的探查问题。直流超前探测技术每次探测80m，有效长度60m。11#煤层3109工作面设计直流电法超前探查21次，底板探测工程量约1.6km。

2.1.3矿井音频电透视法

矿井音频电透视技术是目前可有效探测采煤工作面及顶、底部岩层中含水构造的矿井物探技术，该技术已在我国多个矿务局(公司)的百余个工作面被推广应用，成效显著。矿井音频电穿透法以全空间电场分布理论为基础，由于地下各种岩(矿)石之间存在导电差异，影响着人工电场的分布形态，矿井音频电透视法利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律，从而达到解决地质问题的目的。总体来讲，矿井音频电透视法属矿井直流电法范畴，因其施工方法技术、资料处理技术的差异及主要针对性(探测采煤工作面顶底板含水构造)等因素而成为矿井音频电透视法的分支。11#煤层3109工作面设计音频电透视工程量为1.2km。

2.2钻探方案

11#煤层底板钻探探查主要采用定向钻探方式，与常规钻探相比定向钻探效率更高，有利于按期完成掘进前的探查任务，且技术上有保证[5]。但考虑到钻探有盲区，同时直流电超前探出现异常后需加密验证，因此设计采用定向钻进和常规钻进相结合的方案。实际施工中，可根据两种钻探方法在现场的实际效果对钻探方案进行灵活调整。

2.2.1定向钻进

(1)11#煤层工作面带压开采条件。11#煤层工作面奥灰水压高、突水系数大，因此，有必要提高奥灰注浆改造厚度，确保改造后突水系数小于0.06MPa/m。根据工作面地质构造、奥灰峰峰二段厚度和富水性情况，确定定向钻孔水平间距按40m布置。

(2)具体方案。以3109工作面为例，工作面上部布置1个钻场(F钻场)，在工作面下部布置2个钻场(G钻场和H钻场)，定向钻孔轨迹稳斜段位于奥灰顶界面以下20～30m。

(3)钻孔结构。开孔一级孔径193mm，一级套管φ168mm，长15～20m，穿过开孔段破碎岩层，下入稳定层位；二级孔孔径153mm，二级套管φ127mm，应下入奥灰岩层稳定层位，且确保套管地段与煤层底面间距不小于20m；三级孔孔径96mm，直至终孔。定向钻孔钻场及孔深见表2。3109工作面定向钻孔轨迹平面布置情况见图1。

2.2.2常规钻进

由于工作面定向钻进存在盲区，需进行异常区探查，巷道掘进中也需进行常规钻探超前探水，对物探电法探查后存在的异常区，也需考虑常规钻进。常规套管孔径127mm，孔口管长度根据巷道所在的

表2定向钻钻场及钻孔设计

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图1　定向钻孔布置

具体位置确定，终孔段孔径96mm，钻孔深度根据探查要求确定，3109工作面常规钻探约1 000m。

3　结　语

采用物探和钻探相结合的方式对桑树坪煤矿11#煤层底板水文地质情况(尤其是峰峰组一、二段)进行了探查，为注浆改造峰峰组二段提供了重要依据，对于重点加固水文地质异常区域，提高11#煤层底板注浆效果有一定的参考价值。

[1]冯武宏，张荣荣，杨忠，等.韩城桑树坪煤矿11#煤奥灰水害超前治理新技术[J].工业，2015(4):90-91.

[2]吴晓康，付恩俊.矿井奥灰水井下探测及水害防治研究[J].中州煤炭，2013(4)：13-16．

[3]刘志新.矿井物探技术在突水预测中的应用[J].工程地球物理学报，2007(2)：1-11．

[4]马俊学，陈剑，滕永波.金属矿山巷道地球物理超前预报方法研究进展及发展趋势[J].金属矿山，2016(4)：1-12.

[5]李泉新.煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术[J].煤炭科学技术，2014(1)：138-142．

2016-05-23)

侯世占(1982—)，男，工程师，硕士，710075 陕西省西安市高新区高新三路财富中心D座2601室。