李永涛，蒲治国，丁 湘，王 洋，谢小锋，贺晓浪

(1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司 内蒙古 乌审旗 017307; 2.中煤能源研究院有限责任公司 西安 710054)

0 引言

我国以煤炭为主的能源结构特点决定了物探服务于煤炭安全生产的的重要性。近年来，大量研究与实践证明，通过物探手段可以查明煤矿矿井地质构造、老采空区及含水层分布等，为矿井工作面布置、开采方式的选择和防治水等提供依据。然而单一的物探方法往往在勘探目标、勘探深度、分辨能力与解决问题等方面存在弊端，而综合物探方法防治煤矿地质灾害与水害风险的优势明显。综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、控制网密等优点，能较准确地探测断层、煤层、地质异常体及含水体的空间分布及其富水性[1-3]。本文依据沉积控水规律，充分利用地面三维地震勘探、可控源音频大地电磁测深及井下工作面音频电透视勘探成果，系统全面地分析工作面水文地质条件，从而圈定重点疏放区域，采取重点区域加密疏放，其他区域辅助疏放的方式，从而达到安全、高效、可控与快速的疏放水效果，实现“削峰平谷”的目标，为工作面安全回采奠定了坚实的基础。

1 理论与方法

1.1 三维地震勘探成果应用

三维地震勘探是从三维空间了解地下地质构造并对岩性进行分析的重要手段。利用三维地震资料提取同一时间或同一岩层的属性特征，可查明研究区主要含水层在平面上的展布规律[4-5]。研究区侏罗系地层为陆相沉积，主要发育为三角洲沉积体系与河流沉积体系。由于河流滞留沉积作用和心滩沉积作用导致岩性物性存在差异，表现为岩层反射波的振幅能量、频率方面存在较大差异。根据这些特征可确定古河道中心位置(图1)。该图为纳林河北翼采区直罗组一段的相干体属性切片，从切片中看出，在河道中心与河漫滩存在明显的物性特征差异。结合沉积相研究，河道砂体中心砂体有充分的分选和磨圆，孔隙变得规则，有效孔隙度和渗透率逐渐变大，透水能力增强。从图1看出，31121工作面上方对应河道中心位置则为相对富水区域。

图1 直罗组一段三维地震相干体属性切片图Figure 1 Zhiluo Formation first member 3D seismic coherent cube attribute slice

1.2 可控源音频大地电磁测深成果应用

可控源音频大地电磁测深目前被广泛用于煤矿水文地质条件探测，并取得了较好的效果[6-8]。纳林河二号矿井在地面实施了可控源音频大地电磁测深勘探，通过探测结果与地质解释剖面的对比分析发现，剖面上各含水层明显存在富水性的差异(图2)。利用该方法可以辅助确定工作面上方区域充水含水层在平面上的富水条带及剖面上的富水砂体，从图2可以看出，直罗组含水层富水性相对较强，对同一层含水层而言，在NL15钻孔左侧富水性最强，31121工作面平面位置位于NL15钻孔左侧，即工作面上方直接充水含水层直罗组一段富水性强。

图2 电测深线等视电阻率剖面图Figure 2 Electric sounding line iso-apparent resistivity section

1.3 工作面音频电透视成果应用

音频电透视技术是一种适合矿井环境要求的低频电磁法勘探技术,主要用于探测煤矿井下工作面顶板或底板内含水构造、富水区域及范围，指导矿井有针对性的采取疏放水措施、制定有效的防治水方案提供科学依据[9-10]。纳林河二号矿井31121工作面面采前进行了音频电透视勘探，结果反映在工作面范围内有6个异常区，结合水文地质资料综合分析确定 2 号、5 号和 6 号异常区为相对富水区域(如图3)，则2 号、5 号和 6 号异常区为工作面疏放水的重点区域。

1.4 沉积控水规律研究成果应用

1.4.1 富水性分区研究

通过对纳林河二号矿井进行了沉积相与富水规律研究[11-14]，揭示区域的沉积特征，建立了侏罗系层序地层格架及沉积体系。从图4反应出延安组三段砂岩含水层富水性整体呈条带分布特征，富水性由东南向西北逐渐减弱，在31121工作面里段切眼附近富水性中等，其余地段富水性弱；从图5反应出直罗组一段砂岩含水层富水性整体也呈条带分布特征，富水性由西北向东南逐渐减弱，矿井中部富水性相对较强， 31121工作面位于富水条带的左侧。通过矿井已采区段对比分析，直罗组一段含水层的富水性远远强于延安组三段含水层富水性，即31121工作面探放水工程布设重点考虑直罗组一段含水层富水区，单从图5考虑，工作面右侧为探放水的重点区域。

图3 直罗组一段含水层音频电透视成果图Figure 3 Zhiluo Formation first member aquifer audiofrequency electric perspective results

图4 延安组三段含水层富水性分区Figure 4 Yan’an Formation third member aquifer water yield property zoning

图5 直罗组一段砂岩含水层富水性分区Figure 5 Zhiluo Formation first member aquifer water yield property zoning

1.4.2 沉积相分析研究

根据地面勘探钻孔资料，针对采后导水裂缝带波及范围内顶板岩石组合特征进行对比分析，掌握含、隔水层的时空结构。由于陆相沉积与海相沉积不同，岩相变化较大，据勘探成果资料分析，在纳林河二号矿井侏罗系地层砂体分布在剖面上呈透镜体状，在平面上呈条带状分布特征，所以在该区域布设疏放水钻孔时必须查清砂体的空间结构，尤其是直罗组一段含水层砂体的分布特征，才能做到有的放矢。31121工作面采后导水裂缝带最大发育高度120m，按地层空间结构分布，导水裂缝带发育至直罗组一段含水层。据矿井水文勘探钻孔抽水资料，直罗组一段含水层单位涌水q=0.006 76L/(s·m)，延安组三段含水层单位涌水量q=0.002 23L/(s·m)，另外据矿井实际疏放水钻孔资料进行统计分析，疏放水钻孔在延安组三段含水层的总出水量与直罗组一段含水层的总出水量比大致为1∶5，由此证明了直罗组一段含水层的富水性强于延安组三段含水层，所以疏放水钻孔终孔层位必须至直罗组一段含水层层位，同时兼顾到所有砂体内。

2 纳林河二号矿井31121工作面疏放水钻孔设计

2.1 确定工作面重点疏放范围及重点层段

综合井上、井下物探成果资料，结合沉积控水研究成果等资料，对工作面的水文地质条件进行全面、详实的研究， 从而确定疏放水钻孔的重点疏放范围及重点疏放层段，即重点疏放水区域的靶向标定。本次利用三维地震勘探、可控源音频大地电磁测深、工作面音频电透视等成果资料分析确定31121工作面疏放水的重点范围(平面)；据沉积相与富水规律研究、地面勘探钻孔资料及导水裂缝带发育高度等资料分析确定工作面疏放的重点区段及层段(剖面)，即1号、2 号、5 号和 6 号异常区和古河道中心为重点疏放区域，直罗组一段含水层为重点疏放层段。

2.2 疏放水钻孔设计

据上述分析成果及确定的重点疏放范围和层段，在重点疏放区域I、II内疏放水钻孔密度大于非重点区域，重点区域原则上按“三角型”布置，局部区域加密钻孔按“米字型”布置，非重点区域原则上按“一字型”布置，钻孔的孔间距按150m(矿经验数值)，疏放水钻孔垂直距离120m(据矿实测导水裂缝带高度发育而定)。

2.3 疏放水效果

根据31121工作面疏放水钻孔初始出水量统计分析，重点疏放区域1内的疏放水钻孔单孔平均初始出水量在80 m3/h左右，重点疏放区域2内的疏放水钻孔单孔平均初始出水量50 ～120m3/h，非重点疏放区域内的疏放水钻孔单孔平均初始出水量30m3/h左右；重点区域疏放水钻孔密度为181个/km2，非重点区域的疏放水钻孔密度为76个/km2，重点区域的疏放水钻孔的密度为非重点区域的2.4倍，而疏放水钻孔的初始出水量远远大于非重点疏放区域，说明重点区域砂岩含水层的富水性要强于非重点区域(如图6)。由此证明，按上述方法对重点疏放区域圈定是科学、合理的，减少了疏放水钻孔工程量，节约了工作面投产时间，同时达到了快速疏放顶板砂岩水的效果。

图6 31121工作面疏放水钻孔设计及初始出水量分布图Figure 6 Working face No.31121 water drainage borehole design and initial water output distribution

3 结论

(1)在沉积控水规律研究的基础上，通过综合利用地面及井下各种物探资料，系统分析工作面的水文地质条件，起到对工作面疏放水重点范围及层段的靶向标定。

(2)采用靶向区域重点疏放，其他区域辅助疏放的疏放水模式，可以达到安全、高效、可控与快速的疏放水效果，实现工作面“削峰平谷”的目标。

(3)综合物探技术成功应用于纳林河二号矿井顶板砂岩水防治，为蒙陕矿区顶板砂岩水疏放技术奠定了坚实的基础。