朔州矿区岩溶承压构造水超前探放技术

牟 义，李 健，邱 浩，张永超，张小波

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.榆林市能源局，陕西 榆林 719000)

地质构造对采掘工作影响较大，其对可采煤层造成破坏，严重影响生产秩序，阻碍机械化采煤工作。而岩溶构造一般在灰岩中发育，岩溶、裂隙发育分布面积广，与含水层联系形成导水通道，对煤矿采掘工作带来突水隐患。许多专家学者都对岩溶含水构造超前探放进行了大量研究。在超前物探方面，程久龙等[1]介绍了地球物理方法在煤矿地质构造、岩层含水性超前探测等方面的最新进展，分析了地震精细成像、槽波超前探测、瞬变电磁波场转换与合成孔径、磁共振超前探测、井下陷落柱等超前探测技术；李术才等[2]分析钻爆法、TBM施工隧道的特点及超前地质预报技术的研究现状，钻爆法施工隧道在反射地震类、电磁类和电法类超前探、预报技术方面取得较大进展，而TBM 施工环境具有特殊性、复杂性，探、预测技术处于初步研究阶段；马俊学等[3]分析了金属矿山各类超前探测方法，如TSP、TRT、TST、GPR、TEM、电阻率、MRS、ID法等，优缺点不同，提出应在金属矿山特殊施工条件下进行现场探测对比研究；韩进国等[4]将井巷瞬变电磁法应用于胶东地区金矿巷道超前探水工程中，为胶东地区金矿超前探水提供了科学依据；林君[5]、聂利超[6]、张金涛[7]、李术才[8]、赵朋朋[9]等分别将核磁共振、激发极化、双频激电、阵列电阻率、槽波等各类物探方法应用井下超前探测中，取得了一定的研究成果。在超前水害防治方面，李宏杰等[10]通过钻探、水文勘查及水化学试验等区域资料对准格尔煤田岩溶水害防治技术进行了深入研究；舒宗运等[11]联合采用综合物探和钻探等勘查技术，查明了首旺矿太灰和奥灰含水层“双带压”复杂条件下的带压特征、含水层分布范围及构造的富水性；耿耀强等[12]针对神府矿区大型水库周边浅埋煤层采用井下探放水疏放、井下探放水与地面疏放水、浅部煤层采空区积水勘查与疏放、地面排水沟渠缝隙填埋等系统水害防治技术；张立辉[13]、方刚[14]、豆旭谦[15]等对超前钻探技术等井下水害防治技术进行了研究，取得了不少成果。在以上研究基础上，针对岩溶承压构造水，在山西朔州地区国强煤矿回风大巷迎头采用矿井瞬变电磁法超前探测岩溶突水构造，并根据探测结果及出水承压情况进行探放水设计，开展岩溶承压突水构造的探放水技术研究。

1 研究区概况

山西朔州国强煤矿主要开采4号、9号、11号煤层，4号煤层开采标高为910～1070m。4号煤层的总回风巷属于4-1号煤层，切底布置，4-1号煤层位于太原组顶部，厚度约为4.23～10.95m，平均厚度为7.64m，是全区稳定可采煤层。该矿4煤回风大巷掘进至750m处时，迎头处的顶板、两帮、底部均出现了范围、强度不一的淋水、渗水情况，后来涌水量逐渐增大。回风大巷施工到761m时停止掘进，进行超前打钻探放水，钻至前方26m处时，钻孔见空约0.5m，钻孔涌水量猛增，水压瞬间增大，并将钻杆顶出4～5m，瞬时涌水量为40m3/h，钻进停止。另外，4煤运输大巷在掘进中也出现一定程度的淋水、渗水情况，施工到649m时停止掘进。从钻探揭露情况可以看出，回风大巷掘进区域位于高承压岩溶构造发育区域。因此，本次超前探放水研究区选择在山西朔州平鲁区国强煤矿4煤回风大巷掘进头(施工长度761m)，该区位于井田南部边界区域，地面标高约为1219m，开采标高约为910m，巷道断面形状为矩形，净高2.6m，净宽4m，净面积10.4m2，倾角约为2°～3°。

2 超前物探探测方案

为确定回风大巷前方的构造及富水情况，采用瞬变电磁法进行超前探测，探测位置在回风大巷掘进头(掘进长度761m)，采用“五纵一横”布置方式[16，17]，即五条纵向旋转测线：90°、45°、0°、-45°、-90°，一条横向水平旋转测线，五条纵向测线平面如图1所示，“五纵一横”测线均按照13个不同角度测点(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°)进行探测，其中五条纵向测线测点布置如图2所示，单条横向测线测点布置如图3所示。

图1 “五纵”横向测线

图2 “五纵”纵向测点

图3 “一横”横向测点布置

3 瞬变电磁法超前反演成果分析

超前探测数据经过视电阻率计算、时深转换等反演计算过程，构建了二维剖面、平面数据体并成图，在此基础上形成三维数据体，进行数据体和构造异常区立体显示。本次主要以出水严重的回风大巷超前探测成果为例进行解释。

3.1 典型断面图分析

水平横向电阻率断面如图4所示，其坐标原点为回风大巷761m处，横坐标为以回风大巷761m处为0点水平正前方距离，纵坐标为以回风大巷761m处为0点的水平左右帮距离，正值为左帮方向距离，负值为右帮距离，图中虚线标注的角度为不同测点方向；迎头0°方向纵向电阻率断面如图5所示，其坐标原点为回风大巷761m处，横坐标同图4，纵坐标为以回风大巷761m处为0点的纵向顶底板距离，正值为顶板方向，负值为底板方向，图中虚线所标角度为不同测点方向。

图4 迎头前方横向平面

由图4可知，有1处明显低阻异常，位于横坐标25～120m、纵坐标-100～100m之间(极坐标左帮60°～右帮60°、极距25～120m之间)位置，异常幅度明显，视电阻率小于2.0Ω·m，推断为由4号煤顶板砂岩水构成的构造含水体，特别是在横坐标40～100m、纵坐标-80～80m之间(极坐标左帮45°～右帮45°、极距40～100m之间)区域附近存在较强低阻异常(低阻异常1)，电阻率值均小于1.4Ω·m，推断该区域富水性强或相对较强。

由图5可知，有2处明显低阻异常，上部异常范围较大，幅值明显，下部异常范围较小，幅值一般。上部异常位于横坐标20～120m、纵坐标-80～120m(极坐标底板45°～顶板75°、极距20～120m之间)位置，电阻率值均小于2.0Ω·m，推断为由4煤顶板砂岩水构成的构造含水体，特别是在横坐标30～120m、纵坐标-60～100m(极坐标底板30°～顶板60°、极距30～100m之间)位置附近存在较强低阻异常(低阻异常1)，电阻率值均小于1.4Ω·m，推断该区域富水性强或相对较强；在该剖面横坐标0～430m、纵坐标-40～-120m(极坐标底板90°～底板70°、极距40～120m之间)位置存在低阻异常(低阻异常2)，电阻率值均小于2.0Ω·m，推断为4号煤底板奥灰含水体。从视电阻率剖面图上看，推断构造含水体和奥灰含水体距离非常近，初步推断构造含水体和奥灰含水体在该方向剖面位置有导通的可能，推断已发生水力联系，从而导致打钻出水，且出水量较大。

图5 迎头前方0°纵向剖面

3.2 立体图分析

将“五纵一横”探测的数据汇总成三维数据体成图后如图6所示[18，19]。图6中可以看出掘进工作面前方偏顶板方向有成片低阻异常区域，异常强度较大，推断为由4号煤顶板砂岩水组成的构造水；而在底板方向也存在局部低阻异常区，异常深度较大，并逐步向上部延伸，推断为底板奥灰水，推断砂岩含水体和奥灰含水体距离非常近，初步分析砂岩含水体和奥灰含水体有导通的可能，且已发生水力联系，联系通道发育情况如图7所示，图中凹陷区域为砂岩水和奥灰水联通的陷落柱等通道。

图6 迎头前方立体示意

图7 迎头前方立体通道示意

4 钻探探放水设计

根据超前探放水经验，探放水钻孔最大帮距取19m[20]。根据以上物探结果显示，回风大巷761m处掘进工作面前方极距约20～120m(极坐标为左帮45°、右帮45°、底板45°和顶板75°之间)区域内存在含水区，探放水钻孔需要穿越物探异常区，探测深度满足平距不小于100m。

设计探放水钻孔以4号煤总回风巷掘进方向为中心平面扇形布置15组探水钻孔，其中1#—7#组钻孔位于4煤总回风巷左帮扇形区域，9#—15#组钻孔位于4煤总回风巷右帮扇形区域，8#组孔位于4煤总回风巷掘进方向，钻孔组最小终孔间距为3m。每组钻孔以4煤平面为中心纵向扇形布置9个钻孔，最小终孔距离为1.5m。掘进迎头附近开孔位置垂距0.1m，平距0.29m，各孔布置如图8—图10所示。

图8 钻孔位置平面

图9 钻孔位置剖面

图10 开孔位置剖面

本次探放水立体设计“15横9纵”，合计钻孔135个，针对前方强富水构造进行了加密布置，为便于验证并修正物探结果，并进行探放水工作。针对数量较多钻孔，可分步施工，前期可以选择间隔较远的1#1，1#5，1#9，8#1，8#5，8#9，15#1，15#5，15#9这9个孔进行疏放，防止串孔透水。施工顺序为：①8#5，②1#1，③15#9，④1#9，⑤15#1，⑥1#5，⑦15#5，⑧8#1，⑨8#9。上述9个钻孔顺序施工完成后，对于探放到富水区的钻孔进行疏放水工作，放水到一定程度后，方可施工剩余探放水钻孔。前期9个钻孔的技术参数见表1。

表1 前期探放水孔技术参数

物探异常区水压小于1MPa，依照目前已有的钻孔水压情况，施工时需要安装止水套管，止水套管长度取不少于6m，还应在孔口管上安装闸阀、水压表、水门、三通和泄水短管等孔口安全装置。但由于前期矿方打钻只是钻探到富水异常区的边缘部位，随着钻探深度的加大，水压可能会有所增加，压力可能还会增大，为避免高压水顶出钻杆，喷出碎石伤人，本次探放水孔口应安设防喷逆止阀。

在探放水钻进时，发现透水征兆时，应当立即停止钻进[21]。施工过程中，如发现水压超过1MPa，应立即停止施工，重新编制探放水方案，制定安全技术措施，因本巷道为煤巷，如需继续在本巷道中施工，必须设计、布置防水闸墙，由闸墙外向内进行探放水；如发现水压超过2MPa，钻孔要穿过煤层的探断层水、陷落柱水、含水层水等钻孔，在打穿断层、陷落柱或含水层前，还应下第2层孔口管并穿过煤层1m以上[22]。

5 结 论

1)通过瞬变电磁法超前探测，从垂直电阻率剖面图上分析，掘进头正前方0°探测范围内推断含水范围最大、强度为最强，45°探测范围和-45°探测范围次之，-90°探测范围最弱；从水平电阻率平面图上分析，推断含水范围集中位于极坐标左侧60°和右侧60°范围之内；4煤回风大巷正前方及其顶板区域富水程度强到较强，该区域离砂岩较近，推断该区域发育构造与砂岩含水层发生水力联系；4煤底板区域局部富水性较强，推断该区域底板通过构造与4煤下部奥灰含水层发生水力联系。结合掘进及钻探情况，推断掘进迎头前方可能存在断层或陷落柱等地质构造，与上、下含水层发生水力联系，形成岩溶承压构造富水区。

2)在巷道掘进施工过程中对前方富水区制定专门的技术方案，针对高承压岩溶区水压大、水量足的特点，加密钻孔布置(“15横9纵”布置方式)，并专门在孔口安装止水套管、闸阀、水压表、水门、三通、泄水短管及防喷逆止阀等安全装置，并采取安全措施，才能进行探放水工作。

3)在复杂岩溶构造发育的大水矿区，合理采取矿井瞬变电磁法探测方案可以探明富水范围、强度，推断水源及通道，在此基础上制定专门的探放水方案，进行合理探放水工作，可有效避免矿井突水事故，确保安全生产。

4)井下施工条件复杂，干扰因素多，钻机、锚网、底板积水、工业用电、松散侧帮等均对瞬变电磁法产生干扰，物探成果难免有一定的误差。矿方在资料应用时，应充分发挥本矿技术人员丰富的实践经验和已经回采工作面的实际情况了解全面的优势，对物探资料进行综合分析和利用。