苟星奎

（内蒙古阿拉善盟天荣煤炭有限责任公司，内蒙古 乌海 016000）

0 引言

现阶段煤矿常用的水害探测技术有物探、钻探两类。钻探可分为定向长钻孔、常规探测钻孔以及地面探测钻孔等类型；物探根据探测原理可分为地震类、电磁法类、红外探测以及电磁辐射探测等类型，其中煤矿应用最广泛的物探技术为矿井地震法、瞬变电磁法以及直流电法等。上述各种物探方式均有其特点，在地质件复杂情况下往往采取一种探测方法难以完成水害的精准探测。物探能实现异常区域圈定包括水害探测范围的确定，结合对地质资料分析，通过钻探工程对异常区域全面探测，能够对异常区域实现充分验证，物探、钻探综合应用极大地提升探测精度，对提高煤矿井下水害探测效率具有一定的促进作用。两探结合在五虎山煤矿010909 工作面水害治理过程中取得了良好的效果。

1 矿井及工程概况

1.1 矿井情况

五虎山煤矿所在的乌达矿区属于贺兰山北段煤田，位于阿拉善地块和鄂尔多斯地台之间，巴音鄂博背斜东北部，属地块边缘凹地煤田。

1.2 井田构造情况

井田内构造受区域构造-乌达逆掩断层的控制，断层以逆断层为主，正断层次之，断层多平行主体断层-乌达逆掩断层，呈南北向，井田南翼构造复杂，断层呈放射状。井田内褶皱平缓，多与断层平行，相伴出现，为伴生构造。井田构造主要受东西向压应力而成。构造对现在的安全生产影响较小，逆断层多为封闭性断层，导水性差，井田内压性构造两翼次生节理裂隙发育，直接破坏煤层顶底板的完整性。

1.3 工作面情况

五虎山煤矿010909 工作面为井田北翼9 层第五个回采工作面，工作面走向长度1500 m，切眼沿倾向布置，长度240 m。工作面上部有705、707、716、717、718、719采空区，下部无采掘活动；东侧为实体煤，西侧为010907采空区；南侧为主要运输大巷，北侧为井田边界，与黄白茨煤矿留有40 m 隔水煤柱。该工作面已施工了同层瓦斯抽放钻孔，施工期间未见同层小井采空区。根据五虎山煤矿水文补勘报告显示，矿区内不受底板奥灰水威胁。

1.4 工作面水文地质情况

010909 工作面位于第Ⅴ含水带，该含水带含水性较弱。根据46 号勘探钻孔分析，作业区内9 煤顶板至8 煤底板平均层间距61 m，9 煤顶板至7 煤底板平均层间距86m，8 煤下部有K4 砂岩含水层。

根据地质资料，巷道顶板至10 层煤底板多为页岩及砂质页岩，富水性较弱，顶板向上51 m 处有砂岩（K4），电阻率为相对低阻；其余岩层电阻率为相对高阻。

五虎山煤矿现开采9、10、12 煤层中以往在9、10、12 层都开展过物探工作，分别是010907 工作面、010908工作面、010909、010910 工作面、011004 工作面、011206工作面。在以往的物探工程中，011206 工作面物性差异较为明显，在工作面上部采空区、南侧小窑及011204 采空区范围圈定的低阻异常区均已钻探验证并出水，探测效果较好。

2 物探实践

2.1 物探方法选择

地球物理勘探（简称物探）是用物理方法找水、找矿的一种重要的地质勘探手段。它是以地下岩（矿）石间存在物理性质差异为基础，用物探仪器观测天然或人工物理场的分布，用以研究地质构造，寻找地下水源和矿产，以及解决其他地质问题的一门学科。 因地层不同岩层介质在密度、弹性、导电性、磁性、放射性以及导热性等方面存在差异，而这些差异会引起相应的地球物理场的局部变化。因此水文地质勘探常用的物探方法对应的有电法、地震法、放射性法、地热法、磁法以及重力法等。通过量测这些物理场的分布和变化特征，结合已知地质资料进行分析，就可以达到推断地质性状的目的。

目前解决煤矿井下水害类问题的物探方法以电法类为主，技术原理主要依据煤矿井下煤岩层及水体的电性差异，工作面上部采空区积水探测的勘探方法主要采用矿井瞬变电磁法和井下直流电法超前探测技术，其中瞬变电磁法具有施工快速、探测方位较多以及对水敏感等优点。煤矿瞬变电磁法常用的工作装置形态有2 种，一是重叠回线，另一种是中心回线。重叠回线装置对形成的水文地质异常体响应强且施工方便，但收发线圈之间存在较强的互感效应，一次场影响严重；中心回线装置线圈间互感效应小，消除了一次场影响，但二次场信号相对较弱，对水文地质异常体识别不如重叠回线。因此煤矿井下掘进工作面常采重叠回线装置进行超前瞬变电磁法探测，采用多匝数小回线测量装置，装置参数主要有回线边长大小、回线匝数以及叠加次数等。一般在施工前可通过试验加以确定。原则上根据施工现场的实际情况，能够充分发挥仪器性能，有效地完成水文地质探测任务，本次瞬变电磁探测使用中国地大华睿矿用瞬变电磁仪（YCS200A+YCS60-F），该仪器适用于井下含瓦斯、煤尘爆炸危险环境，用于探测工作面顶底板和掘进迎头一定范围内的含导水构造。

2.2 观测系统布置

根据探测任务和现场施工条件，010909 工作面瞬变电磁法探测在010909 瓦斯治理巷、010909 上运输顺槽和010909 切眼施工，探测区域为工作面上部及同层范围。

010909 瓦斯治理巷从1#导线点处布置第1 个测点，向南每10 m 间距布置下一测点，至5 号横川处共计141 个测点；上运输顺槽从5 号导线点布置第1 个测点，向北每10 m 间距布置下一测点，至切口处共计128 个测点；切眼自下运口每10 m 布置1 个测点，共计23 个测点。

010909 瓦斯治理巷每个测点布置5 条测线，探测工作面上部7 层采空区及顶板含水层情况，第一测线方向记为0°，第二测线方向45°，第三测线方向75°，第四测线方向90°，第五测线方向105°；上运输顺槽每个测点布置6 条测线，探测工作面上部7 层采空区及同层010909 采空区内部情况，第一测线方向记为0°，第二方向30°，第三方向75°，第四方向90°，第五方向165°，第六方向180°具体如图1 所示；切眼每个测点布置4 条测线，探测工作面上部7 层采空区及井田边界以北黄白茨煤矿采空区富水性，第一测线方向记为0°，第二方向30°，第三方向75°，第四方向90°具体如图2 所示。

图1 010909 工作面治理巷及上运输顺槽瞬变电磁法探测方向示意图

图2 010109 切眼瞬变电磁探测方向示意图

2.3 物探成果

通过本次010909 工作面瞬变电磁探测，结合各巷道视电阻率拟断面图图对比分析，本次010909 工作面瞬变电磁探测综合成果图共圈出7 个低阻异常区（图3），依次编号为YC1、YC2、YC3、YC4、YC5、YC6、YC7，现分述如下：

图3 010909 工作面瞬变电磁探测综合成果

YC1：根据010909 瓦斯治理巷物探结果分析，该异常为工作面上部718 采空区反映，且该范围为718 采空区相对较低处，积水容易汇聚，该异常区已经进行钻探验证，建议矿方加强钻孔监测。

YC2、YC3：根据010909 上运输顺槽物探成果分析，两处异常视电阻率阻值相对较低，结合矿井采掘资料，推断为相邻的010907 采空区反映所致，010907 工作面2014年完成回采，采空区内容易积水，目前两处异常区已做钻探放水，建议加强放水孔监测工作。

YC4：根据010909 上运输顺槽物探成果分析，该异常区为上部705 采空区反映所致，矿方针对该异常已做过钻探验证，所打钻孔均未出水；由于现场施工时巷道内存在风筒、铁轨等金属设备，不排除该异常为环境干扰所致。

YC5、YC6：根据瓦斯治理巷及切眼物探成果分析，两处异常区均为工作面上部717 采空区反映所致，YC6 号异常区位于717 采空区最低点，容易汇聚积水，且采空区形成年代久远，建议针对两处异常区进行钻探验证。

YC7：根据瓦斯治理巷及切眼物探成果分析，该异常区为工作面上部719 采空区反映所致，异常范围在719 采空区最低点，采空区内可能存在积水，建议钻探验证。

3 钻探验证

3.1 钻孔设计

010909 工作面上部有7#煤层布置的中盘区705、707工作面采空区及五采区715、716、717、718、719 工作面采空区；因上部6#煤层至7#煤层层间距约为2m，随着7#煤层回采，上部6#煤层采空区垮落进而形成了联通，因此进行7#煤层工作面采空区积水的探放，便能排除上部老空水害的威胁。根据勘探钻孔资料显示，9#层至7#层层间距约为80 米左右。上部采空区积水对工作面掘进造成水害威胁，在工作面回采前，须及时排除上部老空水害。

另外，根据物探成果表明，5 号异常区、6 号异常区、7 号异常区可能存在积水情况，并与上部717、719 工作采空区对应，上部采空区积水对工作面掘进造成水害威胁，须在工作面回采前，及时排除上部老空水害。

根据煤层间距推断，预计010909 工作面上部7#层采空区积水压力约为0.9MPa，010907 采空区积水水压约为0.3MPa；老空水可通过封孔装置直接放出。为了有效的控制放水量，需在孔口管上安装闸阀，做到有效控制放水量。封孔管需安设压力表，以便观测水压变化情况。

根据010908 工作面探放上部七、八层老空水资料显示，上部老空水显强酸性，因此本次探放水施工所用的材料应具有耐腐蚀性。探放水钻孔封孔管长度不得小于10m，封孔后需做耐压试验，试验压力不小于预计水压1.5 倍，并稳定30min 以上无漏水为合格。钻探验证时，坚持“有疑必探”原则，结合物探成果，010909 工作面探放水钻场位置在010909 下运输顺槽，探放的层位是上覆7#层717 工作面、719 工作面等采空区积水。

3.2 钻孔施工

本次探测，钻探孔深最大不超过150 m，据此，钻探设备选用ZDY4000S 钻机施工，使用94mm 的钻头开孔，钻进11 m，将孔内钻屑冲洗干净后用153 mm 的钻头进行扩孔，扩孔至11 m。并按照、每个钻孔下止水套管不小于10 m，每节长1.25 m，丝扣长度0.1 m，每节之间丝扣连接。将108 mm 钢制止水套管最后一根的管外壁用麻袋布包裹成锥形，麻袋上捆绑矿用合成树脂袋搓揉塞入钻孔内。孔口管外壁周围与孔壁之间用矿用合成树脂封闭，孔口管外露长度不小于200 mm，端部与108 mm 法兰盘连接。

待孔口封闭凝固后，通过泥浆泵向孔内注入水灰比为1 ∶1 搅拌好的水泥浆进行注浆固管，直至管外返出水泥浆即可停止注浆，等待凝固。侯凝48 h 后，用94 mm 的钻头进行扫孔至过孔底套管口1 m，进行清水耐压试验，试验压力不小于设计积水压力1.5 倍，且持续时间不小于30 min。确保孔口套管不松动，孔口周围不漏水、不渗水为合格，否则重新固管。套管耐压试验合格，安装好闸阀后，使用94 mm 的钻头钻进至终孔。完成一个钻孔的探放水作业后，下一个钻孔作业严格按照上述顺序进行，直到所有钻孔施工结束。

3.3 钻探成果

自2020 年10 月25 日早班开始施工，至2021 年11 月24 日中班结束。共施工探水钻孔19 个，其中16 个钻孔见七层采空区，7 个钻孔出水，9 个钻孔无水，具体如下。

1#钻场：共施工2 个钻孔，1 号钻孔施工至七层煤柱，未出水；补1 号钻孔见七层采空区，出水量很小，24 h 后停止出水。

2#钻场：共施工2 个钻孔。

3#钻场：共施工4 个钻孔，1 号孔施工至7 层实体中，但钻孔出水，出水量6 m/h；2 号钻孔见七层见空区，出水量54 m/h；其他2 个钻孔均见七层采空区，无水。

4#钻场：共施工6 个钻孔，2 号孔、补4 钻孔均见七层采空区并出水，出水量分别40 m/h、4 m/h，其他钻孔均见七层采空区，无水。

5#钻场：共施工4 个钻孔，2 号、补1 号钻孔均见采空区并出水，出水量分别为45 m/h、12 m/h；3 号钻孔见七层采空区，无水；1 号钻孔施工至53 m 处钻杆断裂。

4 综合效果评价

通过物探施工解释推算结果，圈定了7 个异常区，结合矿方提供的结合矿井水文地质资料及视电阻率等值线图分析5 号异常区、6 号异常区、7 号异常区为上部717 采空区、719 采空区反应；并通过钻探方法对010909 工作面上部采空区进行聚水情况进行探查、排放，确定在010909工作面上部上部717 采空区、719 采空区存有积水，且最大出水量分别为54 m³/h 和40 m³/h，验证了物探划定异常区的准确性，同时也实现了对工作面上方隐伏含水采空区的超前预报、排放，防止回采过程中的误判而造成水灾事故。

5 结论

物探虽然不能完全准确的预测积水区域积水量及赋存形态，但是能够超前探测是否含水（积水），能给矿井开工前水害预防做好预测预报工作。ZDY4000 型全液压坑道钻的使用，在一定程度上能够解决矿井积水区的探放水工作。通过采用物探与钻探相结合的方法，对五虎山矿010909 工作面上部采空区积水进行了勘探，主要得出结论如下。

物探采用瞬变电磁法勘探技术，对010909 上部采空区进行了勘查，通过数据解释，识别了上部采空区的低阻异常区，并结合地质资料，划定了可能存在采空积水的采空区，为工作面水害治理提供了靶向治理的依据。

通过钻探技术，印证了工作面上部采空区存在积水，对物探结果和地质资料的进行了补充、验证，实现了“探”、“排”结合，达到工作面水害治理的最终目的，确保了矿井安全。

目前，由于“两探”设备在验证过程中受现场各种因素影响较多，因此在实践过程中务必按照物探先行划定异常区域，钻探验证物探成果的原则，并要积极积累实践经验，科学分析“两探”成果，保证精准有效地治理水害，以更好地服务煤矿安全生产工作。