汾源煤业5-102工作面底板含水层突水危险性评价分析

王济德

（霍州煤电集团 汾源煤业有限公司，山西 静乐 035107）

1 概 况

山西焦煤集团霍州煤电汾源煤业5-102工作面井下位于一采区，工作面开采5号煤层，煤层平均厚度为10.5 m，平均倾角25°，工作面顶板岩层为泥质灰岩、粉砂岩和中粒砂岩，底板岩层为泥岩和细砂岩，具体顶底板岩层特征见表1。工作面采用综合机械化放顶煤开采方法，机采高度为3.2 m，放煤高度为7.3 m，采用全部垮落法管理顶板。

表1 顶底板岩层特征Table 1 Rock strata characteristics of roof and floor

根据矿井地质资料可知，工作面的主要含水层有奥陶系中统灰岩岩溶含水岩组及太原组灰岩裂隙含水岩组，5号煤层底板距下覆奥灰顶面平均间距为61 m，底板带压1.66～2.86 MPa，突水系数为0.031～0.047 MPa/m，结合三维勘探资料和巷道掘进期间的揭露情况可知，工作面内构造区域为突水危险区，进行构造区域突水危险性的评价分析。

2 突水危险性评价分析

综合采用槽波地震勘探+无线电坑透+瞬变电磁探测技术进行工作面内构造区域特征及分布的探测分析。

2.1 槽波地震勘探

该方法通过煤层波在遇到地质构造的发射信息确定出构造发育的位置及其相关参数。

现结合5-102工作面的地质条件，分别在5-1021和5-1022巷采用反射法进行槽波勘探，通过包络叠加得出槽波勘探结果，如图1所示。

根据矿井地质资料及巷道揭露情况，综合分析图1可知，1号反射界面处为较大断层落差的可能性相对较小，产生异常的原因主要可能与现场施工中存在干扰较大有关，判定1号反射异常区域为假异常；2号反射界面的连续性相对较强，结合工作面切眼下口巷道100 m位置处揭露的落差为9 m的走向断层情况，综合判断区域为1条走向断层，在工作面走向方向上断层落差在逐渐减小；3号和4号反射界面处判定均为沿工作面走向的正断层，分别位于工作面下巷口60 m和90 m的位置处，两处的断层落差6～10 m，根据探测结果可知，3号界面和4号界面处断层分别在140 m和360 m向外的区域会逐步尖灭。

图1 5-1 02工作面包络叠加剖面Fig.1 Envelope superposition section of 5-102 working face

根据矿井地质资料及巷道揭露情况，综合分析图1可知，1号反射界面处为较大断层落差的可能性相对较小，产生异常的原因主要可能与现场施工中存在干扰较大有关，判定1号反射异常区域为假异常；2号反射界面的连续性相对较强，结合工作面切眼下口巷道100 m位置处揭露的落差为9 m的走向断层情况，综合判断区域为1条走向断层，在工作面走向方向上断层落差在逐渐减小；3号和4号反射界面处判定均为沿工作面走向的正断层，分别位于工作面下巷口60 m和90 m的位置处，两处的断层落差6～10 m，根据探测结果可知，3号界面和4号界面处断层分别在140 m和360 m向外的区域会逐步尖灭。

2.2 无线电波坑透

该方法是基于无线电波在不同介质中传播时差异性的衰减特征进行介质特性判断的探测方法，探测作业时通过在两回采巷道内发射无线电波对工作面进行透射，由于煤岩体对于无线电波的吸收性不同，尤其在地质构造等异常体区域内，无线电波信号会相对较弱，形成透射异常阴影区，据此推断工作面内的断裂破碎带或煤层变薄区域。

CT扫描成果如图2所示，5-102工作面内部存在着2处异常区域，分别为2号和4号地质异常区。

图2 5-1 02工作面CT扫描成果Fig.2 CT scan results of 5-102 working face

2.3 瞬变电磁勘探

该方法主要是采用二次场电磁测量技术，电磁场对低阻含水体介质具有较高的敏感性，且其具有分辨度高、探测深度大的特征，另外在沉积地层中较为稳定且沉积次序相对清晰，能够实现对含水体和导水通道的探测分析。

根据5-102工作面的地质条件，瞬变电磁勘探成果如图3所示。

图3 瞬变电磁成果Fig.3 Transient electromagnetic results

瞬变电磁法发现出1个低阻异常区域，称为1号低阻异常区，该区域主要位于5-1021巷8′测点前后40 m范围内，该异常区域位于煤层下方50 m的深度处，属于轻中度异常区域，异常区内的富水性相对较弱。综合三维地震勘探结果，推断该区域主要位于断层的尖灭处，区域内的裂隙较为发育，且区域内含水，导致出现低阻现象，具体瞬变电磁异常区域分布情况如图4所示。

图4 5-1 02工作面瞬变电磁异常区域分布Fig.4 Transient electromagnetic anomaly area distribution at 5-102 working face

2.4 综合判断

综合上述槽波地震勘探、无线电波坑透和瞬变电磁勘探，结合5-102工作面与底板奥灰含水层间的具体情况可知，槽波地震勘探得出的2号、3号和4号异常区域为断层破碎带，断层的最大发育高度为9 m，根据数值模拟分析工作面底板破坏深度及钻孔验证结果可知，5-102工作面回采期间底板破碎带的最大深度为30.1 m，即在2号、3号和4号异常区内不存在突水危险性；无线电波坑透探测结果区域基本为煤层变薄区域和断层发育区域，同样不存在突水危险性；瞬变电磁探测得出的异常区域位于煤层下方50 m的深度处，且异常体内含水，该区域在采动影响下存在着突水的危险性，需对异常区域进行钻探验证。

3 钻探验证分析

3.1 钻探方案

设计在工作面内布置2个钻场，设置3个探查钻孔，其中1号钻场在工作面8′测点以里2 m处，开口在巷道西侧，钻场布置2个探查钻孔；2号钻场在工作面8′测点以里72 m处，开口在巷道西侧，2号钻场内布置1个钻孔。具体探测钻孔各项参数见表2。

表2 探测钻孔布置参数Table 2 Layout parameters of probe boreholes

具体探查钻孔布置如图5所示。

图5 瞬变电磁异常区域探查钻孔布置Fig.5 Borehole layout in transient electromagnetic anomaly area

探查钻孔结构为二级套管，具体探查钻孔施工步骤如下。

（1）钻孔开孔孔径为133 mm，当钻孔钻进11 m后，再下入直径为108 mm的套管10 m深度，并对套管区域进行注浆加固，当套管凝固24 h后，对孔底进行耐压试验，试压压力在3～4 MPa，稳压在30 min，当检验后孔壁无漏液现象即为合格。

（2）钻孔继续以94 mm的孔径持续钻进31 m，随后下入直径为89 mm的套管30 m，同样进行注浆加固固管，检验方式同上。

（3）更换直径为75 mm的钻头钻进至设计终孔位置，当钻孔进水后，及时进行钻孔内水量、水压和水文等数据的记录与分析。

3.2 验证结果分析

根据5-102工作面钻孔过程中的记录数据，1-1号钻孔当钻进78 m时的涌水量为1.5 m3/h，出水水压为2.2 MPa；1-2号在钻进93 m时，涌水量为0.5 m3/h，出水水压为2.1 MPa，2-1号钻孔钻进90 m时涌水量为2.5 m3/h，出水水压为2.2 MPa。通过对探查钻孔，瞬变电磁异常区域未发现涌漏水现象，该异常区域的富水性较差，当钻进至奥灰岩时才发现少量涌水，据此可知异常区域内富水性较弱，对工作面安全回采无影响。

4 结 语

根据汾源煤业5-102工作面底板含水层的特征，通过槽波地震勘探+无线电坑透+瞬变电磁探测技术进行工作面内构造区域特征及分布的探测，得出瞬变电磁探测异常区域存在着一定的突水危险性。通过钻探验证分析可知，该异常区域富水性较弱，对工作面安全回采无影响。汾源煤业5-102工作面回采期间无任何突水现象出现，推进通过该异常富水区域时，底板未发生突水。