朱开鹏

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077）

2018 年9 月1 日正式实施的《煤矿防治水细则》将煤矿防治水综合防治措施由“防堵疏排截”扩展为“探防堵疏排截监”[1]，增加了“探”和“监”2 项措施。其中，“探”主要是指地面的水文地质调查、观测、勘探及井下水文地质补充勘探、采掘工作面探测、局部防治水工程勘探等[2]。而采掘工作面探测是进行井下精细探查的主要手段，即采用超前勘探方法，查明采掘工作面周围水体的具体位置和贮存状态等情况，为有效地防治矿井水害做好必要的准备，在水害防治措施中居核心地位和先导作用。超前探放水可以直接揭露并直观表征采掘工作面前方水体特征，是采掘工作面探测工作中最直接有效的手段。带水压开采区采掘工作面超前探放水工作开展之前需要确定钻孔数量、结构、超前距、帮距等关键参数，《煤矿防治水细则》中给出了相关规定和计算方法，众多科技工作者在超前探方法方面也开展了大量研究[3-8]。但是在实际生产过程中，往往机械地照搬计算公式，而缺乏对掘进头所处水文地质条件的具体分析。其中较为常见的1 类问题是，在确定超前探钻孔终孔位置时，仅依据围岩松动圈及斯列萨列夫公式的计算结果确定终孔垂距，而缺乏对终孔层位岩性、富水性等水文地质条件的具体分析，往往使超前探钻孔的目标层位落在泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩等突水表征性相对较弱的岩层，难以准确查明底板直接充水含水层的富水性特征、难以判断其与底板奥陶纪、寒武纪等主要岩溶裂隙含水层之间的水力联系，既造成钻探工程量的浪费，又不能满足防治水工作要求，从而降低了超前探放水工作的经济性、有效性。为此，以位于华北地台鄂尔多斯台东北边缘的准格尔矿区为例，阐述带水压开采区超前探放水目标层位综合确定方法。

1 准格尔矿区带水压开采概况

准格尔矿区位于鄂尔多斯台东北边缘，总体呈东部隆起、西部凹陷、走向近南北、向西倾斜的单斜构造，地层产状整体平缓，倾角一般小于10°，属华北型石炭二叠系煤田，探明地质储量约380 亿t，目前主采煤层为6 煤，主要充水水源为奥陶纪-寒武纪碳酸盐岩岩溶裂隙水、石炭系-二叠系砂岩孔隙裂隙水、采空区积水等，其中尤以底板奥灰水威胁最为严重，曾发生过断层导通型奥灰水突水淹井事故，目前区域奥灰水位标高为+870 m 水平，有9 对生产矿井全部或局部面临底板奥灰水带压开采问题，6 煤底板带水压程度为0～4.5 MPa，带水压开采情况示意图如图1。9 对矿井的生产能力介于300～1 800 万t/a，年度总产量8 000 万t/a，均为现代化大型矿井。

目前各矿主采的太原组6 号煤层平均厚度约19.26 m，底板互层发育有以细砂岩、粗砂岩为主的薄层砂岩裂隙含水层，及以铁质泥岩、铝土质泥岩、黏土岩、9 号煤层等为主的较为稳定的隔水层，煤系基底为寒武-奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，6 煤底板岩层组合关系图如图2。6 煤与9 煤间、9 煤与奥灰间分别发育有3.37、12.11 m 厚的粗砂岩层，一般裂隙较为发育、含水，但富水性弱、补给条件差，超前探放水孔涌水量一般小于20 m3/h，且易于疏干。当断层、陷落柱等垂向导水通道使其与奥灰含水层相连通时，局部富水性加强、补给充分，钻孔涌水量可超过100 m3/h，水头压力及水化学特征与奥灰水接近。所以，2 层砂岩裂隙含水层是带压开采区超前探放水钻孔重点探查层位。

图1 带水压开采情况示意图Fig.1 Schematic diagram of mining above aquifer

图2 6 煤底板岩层组合关系图Fig.2 Rock stratum assemblage relation of coal No.6 floor

2 掘进工作面底板超前探查目标层位

在带压开采区进行巷道掘进时，需通过物探、钻探2 种方法进行超前探查，其中钻探超前探需确定钻孔数量、超前距、帮距、终孔层位等关键参数。现阶段各矿井生产区域带压程度普遍不高，底板带压程度小于2 MPa，针对奥灰含水层的超前探钻孔一般布置3 个，超前距不小于20 m，帮距不小于10 m。首先根据围岩松动圈计算公式及斯列萨列夫公式分析计算巷道底板安全隔水层厚度，再结合底板薄层砂岩裂隙含水层发育位置，综合确定超前探放水钻孔终孔层位。

2.1 巷道围岩松动圈

各矿均为现代化矿井，巷道一般宽5.5 m、高4 m，巷道掘进后，应力重新分布，巷道周边围岩不能承受压力时则产生裂隙，并发生变形位移，形成破裂松动圈，根据巷道围岩塑性区计算公式[9]可计算巷道松动圈厚度确定：

式中：R 为围岩塑性带半径，m；r0为圆形巷道半径，取3.4 m；p 为原岩应力，取12 MN/m2；C 为围岩黏聚力，取1.36 MPa；φ 为围岩内摩擦角，取40°；pi为支护阻力，取0 N。

终孔垂距示意图如图3。

图3 终孔垂距示意图Fig.3 Schematic diagram of vertical height of hole bottom

经计算，围岩塑性带半径R 为4.6 m，由于巷道断面为矩形，巷高4 m，则h1为2 m。所以松动圈底界面深度h2应为：

式中：h1为巷道形心高度，m；h2为巷道底板松动圈最大深度，m。

计算可得巷道松动圈底界面位于巷道底板下2.6 m。

2.2 底板安全隔水层厚度

底板安全隔水层厚度即巷道底板在受到承压水作用下，能够起到抵抗底板水头压力的有效隔水层的厚度。现阶段各矿巷道掘进期间底板隔水层承受的最大水压力约为2.0 MPa，根据斯列萨列夫公式[10]可计算煤层底板安全隔水层厚度t：

式中：t 为安全隔水层厚度，m；L 为巷道底板宽度，5.5 m；ρ 为底板隔水层的密度，2.7 t/m3；Kp为底板隔水层的平均抗拉强度，1.54 MPa；p 为底板隔水层承受的水头压力，2.0 MPa。

经计算，巷道掘进期间底板隔水层安全厚度t 为4.3 m，由于巷道掘进过程中会产生松动圈，松动圈范围内裂隙发育，已经丧失隔水能力。所以，巷道超前探终孔层位深度H 应为h2与t 之和，即巷道超前探钻孔终孔深度应不小于6.9 m。

2.3 超前探查层位综合确定

计算结果显示，现阶段准格尔煤田各矿井在带压区进行巷道超前探时，超前探查层位设计在巷道底板6.9 m 以深即可，但该层位仍为底板泥岩、砂质泥岩段，孔口套管将坐在抗压能力较小、质软、易碎的弱胶结岩层段，甚至松动圈内，一旦揭露强富水区，难以保证钻孔安全；终孔垂距较小，难以排除小型断层或破碎带对探查结果的影响。

所以，为使超前探钻孔能够更全面地反应底板充水含水层的水文地质信息，特别是探查底板奥灰含水层水是否已通过断层、陷落柱等垂向导水通道导升至煤层底板，需将巷道掘进期间超前探钻孔终孔层位设计在6 煤与9 煤间的薄层砂岩裂隙含水层。由于地层沉积厚度具有差异性，为确保钻孔施工至准确层位，不可简单的设定1 个固定超前探钻孔垂距，还需结合已有地质钻孔资料确定巷道不同位置的超前探放水钻孔终孔垂距。

某矿61202 工作面运输巷超前探放水钻孔设计终孔层位由巷道底板下8 m 调整至15 m，钻进至6煤与9 煤之间的粗粒砂岩层终孔，单孔涌水量达到78.9 m3/h，通过水压观测及水化学测试，判断钻孔涌水为奥灰水，准确探查到前方65 m 处存在奥灰水导升富水区。通过后续专项探查工程查明该处发育有隐伏陷落柱，成功避免了水害事故。所以，6 煤巷道在底板奥灰水带压区掘进时，超前钻探工程以6煤与9 煤间薄层砂岩含水层为目标层是合理的。

3 回采工作面底板富水异常区探查目标层

带压开采区工作面涌水的充水通道主要是断层、陷落柱、裂隙发育带、底板采动破坏带等，断层、陷落柱、裂隙发育带形成于地质时期，属于自然类导水通道，受采矿活动会发生部分活化，但位置、产状等属性不受人类活动影响而变化，属于相对静态导水通道，勘探阶段进行了一定程度的探查工作后一般可提前采取有针对性的防治水措施；底板采动破坏带属于因采矿活动扰动产生的人为导水通道，受煤层采厚、工作面尺寸、开采工艺、底板岩性组合、地应力、水压力等多种因素影响，且随着工作面回采动态变化，往往容易导通底板富水异常区、隐伏导水陷落柱、底板裂隙发育带等，需在回采前通过理论公式或者参考实测成果进行计算和预测，是进行带压区工作面回采前确定物探、钻探等防治水设计的重要参数，探查验证范围需覆盖底板采动破坏带。

准格尔矿区带压开采区域的井工矿全部属于生产规模较大的现代化矿井，采用大采高、大工作面的综合机械化开采工作，工作面斜长一般在240 m左右，通过经验公式[11]可计算工作面回采后底板采动破坏带可达26.6 m 左右。

式中：hd为底板采动破坏带，m；l 为工作面斜长，m。

此外，矿区内部分矿井已经开展了底板采动破坏带现场实测工作，取得了更为准确的实测结果。如不连沟矿、酸刺沟矿、黄玉川矿通过现场钻孔注水试验、FLAC3D数值模拟、理论计算等手段研究得到底板采动破坏带最大发育深度可达34.9 m，底板采动破坏带实测结果统计表见表1，大于经验公式计算结果，有力地指导了带压开采防治水工作。

表1 底板采动破坏带实测结果统计表Table 1 Statistical table of measured results of floor mining failure zone

煤层底板下35 m 左右基本处于9 煤与奥灰间粗砂岩层，该岩层正常情况下富水性较弱，补给不充分，但是在与奥灰含水层存在水力联系的块段，富水性明显加强，且补给充分。如位于煤田北部的某矿在进行第5 个工作面底板奥灰水富水性探查时，钻孔钻进至9 煤与奥灰间粗砂岩层时即发生涌水，探得该处奥灰水存在导升现象，及时采取防治水措施避免了突水事故。所以，准格尔煤田带压区工作面回采前底板富水异常区探查层位应设计在9 煤与奥灰间粗砂岩层。

4 超前探放水层位综合确定

为达到理想的探放水效果，准格尔煤田各矿井在带压区进行生产活动时，掘进工作面探放水目标层为6 煤与9 煤间薄层砂岩裂隙含水层，回采工作面探放水目标层为9 煤与奥灰间砂岩裂隙含水层，分别为目标层1、目标层2，超前探放水目标层位示意图如图4。

图4 超前探放水目标层位示意图Fig.4 Schematic diagram of target strata in pilot detection

5 结 论

1）6 煤工作面巷道围岩塑性带半径约4.6 m、底板安全隔水层厚度4.3 m，计算出的巷道超前探终孔层位与巷道底板的间距为6.9 m 即可，而该层位为泥岩、砂质泥岩等隔水层，不能准确反映带压开采水文地质条件；具有指标性的层位为底板下平均约15.7 m 的粗粒砂岩层，掘进工作面超前探放水钻孔钻进至该层位，方能探明底板带压开采水文地质条件，起到巷道掘进阶段超前探放水作用，即6 煤与9 煤间的粗粒砂岩层是准格尔矿区6 煤带压开采区掘进工作面超前探钻孔第1 目标层。

2）6 煤工作面回采后底板采动破坏带深度可达35 m，可波及9 煤与奥灰间厚层粗砂岩，回采前超前探放水钻孔目标层位应为9 煤与奥灰间粗砂岩层，以判断奥灰含水层是否有导升现象，方能指导采前带压开采防治水工作，即9 煤与奥灰间的粗粒砂岩层为准格尔矿区6 煤带压开采区回采工作面超前探第2 目标层。

3）由于准格尔矿区处于鄂尔多斯盆地东北边缘，各地层受风化剥蚀作用、构造运动作用强烈，沉积厚度不均一性强烈、褶皱较为发育，所以6 煤与底板2 层粗砂岩间距需根据超前探位置附近地质钻孔资料确定。