“物探+鉆探”技術(shù)在五虎山煤礦010909工作面水害治理工程中的應(yīng)用

茍星奎

（內(nèi)蒙古阿拉善盟天榮煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

現(xiàn)階段煤礦常用的水害探測(cè)技術(shù)有物探、鉆探兩類。鉆探可分為定向長鉆孔、常規(guī)探測(cè)鉆孔以及地面探測(cè)鉆孔等類型；物探根據(jù)探測(cè)原理可分為地震類、電磁法類、紅外探測(cè)以及電磁輻射探測(cè)等類型，其中煤礦應(yīng)用最廣泛的物探技術(shù)為礦井地震法、瞬變電磁法以及直流電法等。上述各種物探方式均有其特點(diǎn)，在地質(zhì)件復(fù)雜情況下往往采取一種探測(cè)方法難以完成水害的精準(zhǔn)探測(cè)。物探能實(shí)現(xiàn)異常區(qū)域圈定包括水害探測(cè)范圍的確定，結(jié)合對(duì)地質(zhì)資料分析，通過鉆探工程對(duì)異常區(qū)域全面探測(cè)，能夠?qū)Ξ惓^(qū)域?qū)崿F(xiàn)充分驗(yàn)證，物探、鉆探綜合應(yīng)用極大地提升探測(cè)精度，對(duì)提高煤礦井下水害探測(cè)效率具有一定的促進(jìn)作用。兩探結(jié)合在五虎山煤礦010909 工作面水害治理過程中取得了良好的效果。

1 礦井及工程概況

1.1 礦井情況

五虎山煤礦所在的烏達(dá)礦區(qū)屬于賀蘭山北段煤田，位于阿拉善地塊和鄂爾多斯地臺(tái)之間，巴音鄂博背斜東北部，屬地塊邊緣凹地煤田。

1.2 井田構(gòu)造情況

井田內(nèi)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造-烏達(dá)逆掩斷層的控制，斷層以逆斷層為主，正斷層次之，斷層多平行主體斷層-烏達(dá)逆掩斷層，呈南北向，井田南翼構(gòu)造復(fù)雜，斷層呈放射狀。井田內(nèi)褶皺平緩，多與斷層平行，相伴出現(xiàn)，為伴生構(gòu)造。井田構(gòu)造主要受東西向壓應(yīng)力而成。構(gòu)造對(duì)現(xiàn)在的安全生產(chǎn)影響較小，逆斷層多為封閉性斷層，導(dǎo)水性差，井田內(nèi)壓性構(gòu)造兩翼次生節(jié)理裂隙發(fā)育，直接破壞煤層頂?shù)装宓耐暾浴?/p>

1.3 工作面情況

五虎山煤礦010909 工作面為井田北翼9 層第五個(gè)回采工作面，工作面走向長度1500 m，切眼沿傾向布置，長度240 m。工作面上部有705、707、716、717、718、719采空區(qū)，下部無采掘活動(dòng)；東側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為010907采空區(qū)；南側(cè)為主要運(yùn)輸大巷，北側(cè)為井田邊界，與黃白茨煤礦留有40 m 隔水煤柱。該工作面已施工了同層瓦斯抽放鉆孔，施工期間未見同層小井采空區(qū)。根據(jù)五虎山煤礦水文補(bǔ)勘報(bào)告顯示，礦區(qū)內(nèi)不受底板奧灰水威脅。

1.4 工作面水文地質(zhì)情況

010909 工作面位于第Ⅴ含水帶，該含水帶含水性較弱。根據(jù)46 號(hào)勘探鉆孔分析，作業(yè)區(qū)內(nèi)9 煤頂板至8 煤底板平均層間距61 m，9 煤頂板至7 煤底板平均層間距86m，8 煤下部有K4 砂巖含水層。

根據(jù)地質(zhì)資料，巷道頂板至10 層煤底板多為頁巖及砂質(zhì)頁巖，富水性較弱，頂板向上51 m 處有砂巖（K4），電阻率為相對(duì)低阻；其余巖層電阻率為相對(duì)高阻。

五虎山煤礦現(xiàn)開采9、10、12 煤層中以往在9、10、12 層都開展過物探工作，分別是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 工作面物性差異較為明顯，在工作面上部采空區(qū)、南側(cè)小窯及011204 采空區(qū)范圍圈定的低阻異常區(qū)均已鉆探驗(yàn)證并出水，探測(cè)效果較好。

2 物探實(shí)踐

2.1 物探方法選擇

地球物理勘探（簡稱物探）是用物理方法找水、找礦的一種重要的地質(zhì)勘探手段。它是以地下巖（礦）石間存在物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，用物探儀器觀測(cè)天然或人工物理場(chǎng)的分布，用以研究地質(zhì)構(gòu)造，尋找地下水源和礦產(chǎn)，以及解決其他地質(zhì)問題的一門學(xué)科。 因地層不同巖層介質(zhì)在密度、彈性、導(dǎo)電性、磁性、放射性以及導(dǎo)熱性等方面存在差異，而這些差異會(huì)引起相應(yīng)的地球物理場(chǎng)的局部變化。因此水文地質(zhì)勘探常用的物探方法對(duì)應(yīng)的有電法、地震法、放射性法、地?zé)岱?、磁法以及重力法等。通過量測(cè)這些物理場(chǎng)的分布和變化特征，結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行分析，就可以達(dá)到推斷地質(zhì)性狀的目的。

目前解決煤礦井下水害類問題的物探方法以電法類為主，技術(shù)原理主要依據(jù)煤礦井下煤巖層及水體的電性差異，工作面上部采空區(qū)積水探測(cè)的勘探方法主要采用礦井瞬變電磁法和井下直流電法超前探測(cè)技術(shù)，其中瞬變電磁法具有施工快速、探測(cè)方位較多以及對(duì)水敏感等優(yōu)點(diǎn)。煤礦瞬變電磁法常用的工作裝置形態(tài)有2 種，一是重疊回線，另一種是中心回線。重疊回線裝置對(duì)形成的水文地質(zhì)異常體響應(yīng)強(qiáng)且施工方便，但收發(fā)線圈之間存在較強(qiáng)的互感效應(yīng)，一次場(chǎng)影響嚴(yán)重；中心回線裝置線圈間互感效應(yīng)小，消除了一次場(chǎng)影響，但二次場(chǎng)信號(hào)相對(duì)較弱，對(duì)水文地質(zhì)異常體識(shí)別不如重疊回線。因此煤礦井下掘進(jìn)工作面常采重疊回線裝置進(jìn)行超前瞬變電磁法探測(cè)，采用多匝數(shù)小回線測(cè)量裝置，裝置參數(shù)主要有回線邊長大小、回線匝數(shù)以及疊加次數(shù)等。一般在施工前可通過試驗(yàn)加以確定。原則上根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，能夠充分發(fā)揮儀器性能，有效地完成水文地質(zhì)探測(cè)任務(wù)，本次瞬變電磁探測(cè)使用中國地大華睿礦用瞬變電磁儀（YCS200A+YCS60-F），該儀器適用于井下含瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，用于探測(cè)工作面頂?shù)装搴途蜻M(jìn)迎頭一定范圍內(nèi)的含導(dǎo)水構(gòu)造。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)布置

根據(jù)探測(cè)任務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，010909 工作面瞬變電磁法探測(cè)在010909 瓦斯治理巷、010909 上運(yùn)輸順槽和010909 切眼施工，探測(cè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嫔喜考巴瑢臃秶?/p>

010909 瓦斯治理巷從1#導(dǎo)線點(diǎn)處布置第1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，向南每10 m 間距布置下一測(cè)點(diǎn)，至5 號(hào)橫川處共計(jì)141 個(gè)測(cè)點(diǎn)；上運(yùn)輸順槽從5 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)布置第1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，向北每10 m 間距布置下一測(cè)點(diǎn)，至切口處共計(jì)128 個(gè)測(cè)點(diǎn)；切眼自下運(yùn)口每10 m 布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)23 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

010909 瓦斯治理巷每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置5 條測(cè)線，探測(cè)工作面上部7 層采空區(qū)及頂板含水層情況，第一測(cè)線方向記為0°，第二測(cè)線方向45°，第三測(cè)線方向75°，第四測(cè)線方向90°，第五測(cè)線方向105°；上運(yùn)輸順槽每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置6 條測(cè)線，探測(cè)工作面上部7 層采空區(qū)及同層010909 采空區(qū)內(nèi)部情況，第一測(cè)線方向記為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°具體如圖1 所示；切眼每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置4 條測(cè)線，探測(cè)工作面上部7 層采空區(qū)及井田邊界以北黃白茨煤礦采空區(qū)富水性，第一測(cè)線方向記為0°，第二方向30°，第三方向75°，第四方向90°具體如圖2 所示。

圖1 010909 工作面治理巷及上運(yùn)輸順槽瞬變電磁法探測(cè)方向示意圖

圖2 010109 切眼瞬變電磁探測(cè)方向示意圖

2.3 物探成果

通過本次010909 工作面瞬變電磁探測(cè)，結(jié)合各巷道視電阻率擬斷面圖圖對(duì)比分析，本次010909 工作面瞬變電磁探測(cè)綜合成果圖共圈出7 個(gè)低阻異常區(qū)（圖3），依次編號(hào)為YC1、YC2、YC3、YC4、YC5、YC6、YC7，現(xiàn)分述如下：

圖3 010909 工作面瞬變電磁探測(cè)綜合成果

YC1：根據(jù)010909 瓦斯治理巷物探結(jié)果分析，該異常為工作面上部718 采空區(qū)反映，且該范圍為718 采空區(qū)相對(duì)較低處，積水容易匯聚，該異常區(qū)已經(jīng)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，建議礦方加強(qiáng)鉆孔監(jiān)測(cè)。

YC2、YC3：根據(jù)010909 上運(yùn)輸順槽物探成果分析，兩處異常視電阻率阻值相對(duì)較低，結(jié)合礦井采掘資料，推斷為相鄰的010907 采空區(qū)反映所致，010907 工作面2014年完成回采，采空區(qū)內(nèi)容易積水，目前兩處異常區(qū)已做鉆探放水，建議加強(qiáng)放水孔監(jiān)測(cè)工作。

YC4：根據(jù)010909 上運(yùn)輸順槽物探成果分析，該異常區(qū)為上部705 采空區(qū)反映所致，礦方針對(duì)該異常已做過鉆探驗(yàn)證，所打鉆孔均未出水；由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)巷道內(nèi)存在風(fēng)筒、鐵軌等金屬設(shè)備，不排除該異常為環(huán)境干擾所致。

YC5、YC6：根據(jù)瓦斯治理巷及切眼物探成果分析，兩處異常區(qū)均為工作面上部717 采空區(qū)反映所致，YC6 號(hào)異常區(qū)位于717 采空區(qū)最低點(diǎn)，容易匯聚積水，且采空區(qū)形成年代久遠(yuǎn)，建議針對(duì)兩處異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

YC7：根據(jù)瓦斯治理巷及切眼物探成果分析，該異常區(qū)為工作面上部719 采空區(qū)反映所致，異常范圍在719 采空區(qū)最低點(diǎn)，采空區(qū)內(nèi)可能存在積水，建議鉆探驗(yàn)證。

3 鉆探驗(yàn)證

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

010909 工作面上部有7#煤層布置的中盤區(qū)705、707工作面采空區(qū)及五采區(qū)715、716、717、718、719 工作面采空區(qū)；因上部6#煤層至7#煤層層間距約為2m，隨著7#煤層回采，上部6#煤層采空區(qū)垮落進(jìn)而形成了聯(lián)通，因此進(jìn)行7#煤層工作面采空區(qū)積水的探放，便能排除上部老空水害的威脅。根據(jù)勘探鉆孔資料顯示，9#層至7#層層間距約為80 米左右。上部采空區(qū)積水對(duì)工作面掘進(jìn)造成水害威脅，在工作面回采前，須及時(shí)排除上部老空水害。

另外，根據(jù)物探成果表明，5 號(hào)異常區(qū)、6 號(hào)異常區(qū)、7 號(hào)異常區(qū)可能存在積水情況，并與上部717、719 工作采空區(qū)對(duì)應(yīng)，上部采空區(qū)積水對(duì)工作面掘進(jìn)造成水害威脅，須在工作面回采前，及時(shí)排除上部老空水害。

根據(jù)煤層間距推斷，預(yù)計(jì)010909 工作面上部7#層采空區(qū)積水壓力約為0.9MPa，010907 采空區(qū)積水水壓約為0.3MPa；老空水可通過封孔裝置直接放出。為了有效的控制放水量，需在孔口管上安裝閘閥，做到有效控制放水量。封孔管需安設(shè)壓力表，以便觀測(cè)水壓變化情況。

根據(jù)010908 工作面探放上部七、八層老空水資料顯示，上部老空水顯強(qiáng)酸性，因此本次探放水施工所用的材料應(yīng)具有耐腐蝕性。探放水鉆孔封孔管長度不得小于10m，封孔后需做耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于預(yù)計(jì)水壓1.5 倍，并穩(wěn)定30min 以上無漏水為合格。鉆探驗(yàn)證時(shí)，堅(jiān)持“有疑必探”原則，結(jié)合物探成果，010909 工作面探放水鉆場(chǎng)位置在010909 下運(yùn)輸順槽，探放的層位是上覆7#層717 工作面、719 工作面等采空區(qū)積水。

3.2 鉆孔施工

本次探測(cè)，鉆探孔深最大不超過150 m，據(jù)此，鉆探設(shè)備選用ZDY4000S 鉆機(jī)施工，使用94mm 的鉆頭開孔，鉆進(jìn)11 m，將孔內(nèi)鉆屑沖洗干凈后用153 mm 的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔至11 m。并按照、每個(gè)鉆孔下止水套管不小于10 m，每節(jié)長1.25 m，絲扣長度0.1 m，每節(jié)之間絲扣連接。將108 mm 鋼制止水套管最后一根的管外壁用麻袋布包裹成錐形，麻袋上捆綁礦用合成樹脂袋搓揉塞入鉆孔內(nèi)?？卓诠芡獗谥車c孔壁之間用礦用合成樹脂封閉，孔口管外露長度不小于200 mm，端部與108 mm 法蘭盤連接。

待孔口封閉凝固后，通過泥漿泵向孔內(nèi)注入水灰比為1 ∶1 攪拌好的水泥漿進(jìn)行注漿固管，直至管外返出水泥漿即可停止注漿，等待凝固。侯凝48 h 后，用94 mm 的鉆頭進(jìn)行掃孔至過孔底套管口1 m，進(jìn)行清水耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于設(shè)計(jì)積水壓力1.5 倍，且持續(xù)時(shí)間不小于30 min。確?？卓谔坠懿凰蓜?dòng)，孔口周圍不漏水、不滲水為合格，否則重新固管。套管耐壓試驗(yàn)合格，安裝好閘閥后，使用94 mm 的鉆頭鉆進(jìn)至終孔。完成一個(gè)鉆孔的探放水作業(yè)后，下一個(gè)鉆孔作業(yè)嚴(yán)格按照上述順序進(jìn)行，直到所有鉆孔施工結(jié)束。

3.3 鉆探成果

自2020 年10 月25 日早班開始施工，至2021 年11 月24 日中班結(jié)束。共施工探水鉆孔19 個(gè)，其中16 個(gè)鉆孔見七層采空區(qū)，7 個(gè)鉆孔出水，9 個(gè)鉆孔無水，具體如下。

1#鉆場(chǎng)：共施工2 個(gè)鉆孔，1 號(hào)鉆孔施工至七層煤柱，未出水；補(bǔ)1 號(hào)鉆孔見七層采空區(qū)，出水量很小，24 h 后停止出水。

2#鉆場(chǎng)：共施工2 個(gè)鉆孔。

3#鉆場(chǎng)：共施工4 個(gè)鉆孔，1 號(hào)孔施工至7 層實(shí)體中，但鉆孔出水，出水量6 m/h；2 號(hào)鉆孔見七層見空區(qū)，出水量54 m/h；其他2 個(gè)鉆孔均見七層采空區(qū)，無水。

4#鉆場(chǎng)：共施工6 個(gè)鉆孔，2 號(hào)孔、補(bǔ)4 鉆孔均見七層采空區(qū)并出水，出水量分別40 m/h、4 m/h，其他鉆孔均見七層采空區(qū)，無水。

5#鉆場(chǎng)：共施工4 個(gè)鉆孔，2 號(hào)、補(bǔ)1 號(hào)鉆孔均見采空區(qū)并出水，出水量分別為45 m/h、12 m/h；3 號(hào)鉆孔見七層采空區(qū)，無水；1 號(hào)鉆孔施工至53 m 處鉆桿斷裂。

4 綜合效果評(píng)價(jià)

通過物探施工解釋推算結(jié)果，圈定了7 個(gè)異常區(qū)，結(jié)合礦方提供的結(jié)合礦井水文地質(zhì)資料及視電阻率等值線圖分析5 號(hào)異常區(qū)、6 號(hào)異常區(qū)、7 號(hào)異常區(qū)為上部717 采空區(qū)、719 采空區(qū)反應(yīng)；并通過鉆探方法對(duì)010909 工作面上部采空區(qū)進(jìn)行聚水情況進(jìn)行探查、排放，確定在010909工作面上部上部717 采空區(qū)、719 采空區(qū)存有積水，且最大出水量分別為54 m3/h 和40 m3/h，驗(yàn)證了物探劃定異常區(qū)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面上方隱伏含水采空區(qū)的超前預(yù)報(bào)、排放，防止回采過程中的誤判而造成水災(zāi)事故。

5 結(jié)論

物探雖然不能完全準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)積水區(qū)域積水量及賦存形態(tài)，但是能夠超前探測(cè)是否含水（積水），能給礦井開工前水害預(yù)防做好預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。ZDY4000 型全液壓坑道鉆的使用，在一定程度上能夠解決礦井積水區(qū)的探放水工作。通過采用物探與鉆探相結(jié)合的方法，對(duì)五虎山礦010909 工作面上部采空區(qū)積水進(jìn)行了勘探，主要得出結(jié)論如下。

物探采用瞬變電磁法勘探技術(shù)，對(duì)010909 上部采空區(qū)進(jìn)行了勘查，通過數(shù)據(jù)解釋，識(shí)別了上部采空區(qū)的低阻異常區(qū)，并結(jié)合地質(zhì)資料，劃定了可能存在采空積水的采空區(qū)，為工作面水害治理提供了靶向治理的依據(jù)。

通過鉆探技術(shù)，印證了工作面上部采空區(qū)存在積水，對(duì)物探結(jié)果和地質(zhì)資料的進(jìn)行了補(bǔ)充、驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了“探”、“排”結(jié)合，達(dá)到工作面水害治理的最終目的，確保了礦井安全。

目前，由于“兩探”設(shè)備在驗(yàn)證過程中受現(xiàn)場(chǎng)各種因素影響較多，因此在實(shí)踐過程中務(wù)必按照物探先行劃定異常區(qū)域，鉆探驗(yàn)證物探成果的原則，并要積極積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)分析“兩探”成果，保證精準(zhǔn)有效地治理水害，以更好地服務(wù)煤礦安全生產(chǎn)工作。