物钻探相结合技术在煤矿水害防治中的应用

钟 强

（山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266000）

我国煤矿井下开采过程中受到多种水害威胁，矿井顶底板水害问题非常常见，随着煤矿深部开采的不断发展，顶底板水害更加频繁，严重影响到煤矿高产高效安全开采目标的实现。因此，对回采工作面顶底板水害进行探查，查明水害致灾因素，并进行针对性的治理是非常有必要的。当前煤矿对于地质构造和富水异常区的探测主要有钻探、物探、化探等多种探测方法，各探测方法都有着自身的探测优势和适用范围，因此多种探测方法综合使用效果较为理想。针对以上分析，提出了物钻探相结合技术[1-6]，在钻探资料基础上，对地质构造和顶板含水层富水异常区进行有效探查，为防治水工作提供技术保障。

1 工程概况

1.1 概况

山东丰源远航煤业公司北徐楼煤矿位于山东省滕州市滨湖镇七所楼村，设计生产能力90 万t/a，生产水平为-300 m 水平和-920 m 水平。101 工作面位于矿区东南角，主要开采3下煤层，地表标高+34.4～+34.9 m，工作面底板标高-724～ -746 m，可采储量80.2 万t。101 工作面走向长394 m，倾斜长225 m，煤层厚度为2.8～8.6 m，平均厚度6.5 m，煤层倾角0°～4°，平均倾角2°，采用综合机械化采煤工艺。

1.2 水文地质分析

经理论计算可知，北徐楼煤矿101 工作面顶板导水裂隙带高度115 m，波及3下煤层顶板以上至下石盒子组顶部，K8、K10 砂岩裂隙承压含水层为充水来源。

101工作面底板为奥陶系灰岩岩溶承压含水层，水位标高为-188.4 m，高于工作面3下煤层底板标高-746.2 m，属于带压开采，奥灰水可能会涌突出。依据《煤矿防治水细则》计算得出101 工作面3下煤层奥灰最大突水系数为0.034 3 MPa/m，小于0.06 MPa/m，正常情况下伏奥灰含水层对回采工作面无充水影响，如果存在导水断层、岩溶陷落柱等地质构造，则存在突水可能性。

2 工作面防治水安全技术措施

2.1 防治水思路

针对101 工作面主要水害情况，基于该矿底板承压水开采工作面防治水的规定，采用物钻探相结合技术，对地质构造和顶板含水层富水异常区进行有效探查。

物钻探相结合技术的工作原理：将三维地震、瞬变电磁、无线电坑透勘探技术等物探技术与钻探技术联合，实现一孔多用，对巷道前方地质构造和岩层富水性进行探查，能有效地提高探查的准确性和范围。

防治水思路：（1）采用三维地震探查技术，查明落差≥5 m 的断层和直径≥20 m 的陷落柱等地质构造；采用钻探手段对三维地震勘探进行补充查明隐伏地质构造；采用瞬变电磁查明工作面3下煤层地质构造、富水性情况。（2）采用千米定向钻机进行钻探，主要目的是对物探异常区（地质构造和顶板含水层富水异常区）进行验证，查明圈定准确的破坏积水边界。（3）为准确探查101 工作面内部断层及陷落柱的情况，在101 工作面回采前采用无线电波坑透技术进行探查。（4）在施工过程中，进一步完善101 工作面的防排水系统，使其符合设计要求，提高防治水能力。

2.2 物探探查

2.2.1 地面物探探查

（1）三维地震探查。对开采区域进行三维地震勘探后，发现主要是存在101 工作面切眼东侧分布的X3 陷落柱，三维地震勘探构造分布情况如图1。

图1 101 工作面三维地震勘探构造分布示意图

（2）瞬变电磁勘探。采用瞬变电磁法对开采区域内的断层、陷落柱等构造的空间分布及富水性、导水性进行探查。瞬变电磁勘探成果如图2，在101 工作面下巷侧顶板K8 砂岩裂隙含水层为富水异常区，K10 砂岩裂隙含水层为富水异常区，X3陷落柱附近不存在明显低阻异常区域，因此X3 陷落柱应该为不充水型陷落柱。

图2 101 工作面瞬变电磁勘探成果示意图

2.2.2 无线电坑透探查

采用无线电坑透探查101 工作面开采区域，101 工作面无线电坑透探查成果如图3，共探测到1号异常区和2 号异常区。对2 号异常区分析可知，其位置处于切眼西侧，面积小，异常程度浅，推测可能为切眼内支架造成的假异常。

图3 101 工作面无线电波坑透成果

2.3 物探成果验证

2.3.1 三维地震勘探成果验证

在101 工作面上巷掘进过程中，在101 工作面上巷23#钻场内，采用千米定向钻机对X3 陷落柱进行准确探测。设计有1#、2#、3#共3 个探查孔，探测成果如图4，确定了X3 陷落柱实际揭露位置。1#、2#、3#共3 个探查孔在钻探过程中回水正常，直至钻孔施工结束，孔内无涌水，没有揭露含水构造。这就证实该X3 陷落柱不富水、不导水，为不充水型陷落柱。

图4 101 工作面23#钻场陷落柱千米定向钻探成果示意图

2.3.2 瞬变电磁勘探成果验证

101 工作面回采前，必须采用钻探对瞬变电磁勘探异常区进行验证，通过施工探放水钻孔实现煤层顶板砂岩水的提前疏放，减小101 工作面回采时的涌水量。在101 工作面的上巷和下巷的7#、19#、12#、20#共4 个钻场共施工13 个顶板探放水钻孔，钻孔布置情况如图5。钻孔总进尺为1946 m，钻孔总放水量约36.5 万m3。

图5 101 工作面顶板探放水钻孔布置示意图

2.3.3 无线电波坑透成果验证

在101 工作面上巷、下巷掘进中和回采前进行了瓦斯抽采治理，瓦斯抽放钻孔深度为90 m，孔间距为2 m，在进行瓦斯抽放的同时，对101 工作面（特别是无线电坑透探查到的1 号异常区和2 号异常区）隐伏地质构造进行探查。钻探结果表明：101 工作面不存在较大的隐伏地质构造。

2.4 排水系统设置方案

101 工作面3下煤正常涌水量约为39 m3/h，最大涌水量约为130 m3/h。排水系统设计原则为按照最大涌水量的2.5 倍计算，以应对极端情况，即工作面按325 m3/h 排水能力进行设计。从101 工作面的地质构造工况可知，应该将主排水系统布置在工作面下巷内。

101工作面下巷敷设2趟管径Ф159 mm排水管，排水能力为280 m3/h；101 工作面上巷敷设1 趟管径Ф108 mm 排水管，排水能力为45 m3/h；另外上巷风水管可改造为排水管路，排水能力为45 m3/h，下巷风水管可改造为排水管路，排水能力为45 m3/h。总排水能力可达415 m3/h，满足要求。

在101 工作面上巷低洼处设置泵窝，配置2 台风泵（1 用1 备）；101 工作面下巷切眼向外200 m低洼处设主排水系统，并挖设泵坑，配置2 台潜水泵（1 用1 备），扬程40 m，流量70 m3/h。

3 综合应用效果分析

在101 工作面采用物钻探相结合技术进行了地质构造和顶板含水层富水异常区的探查。探查结果表明：在101 工作面切眼东侧分布X3 陷落柱，为不充水型陷落柱；在101 工作面下巷侧顶板有K8富水异常区和K10 富水异常区，无较大的隐伏地质构造。101 工作面共施工13 个顶板探放水钻孔，总放水量约36.5 万m3。探查钻孔中排水、返水过程正常，钻孔无涌水发生，巷道掘进中顶板未有淋水现象发生，物钻探相结合技术探查结果较准确，为101 工作面防治水奠定了基础。

物钻探相结合技术的应用，降低了钻孔施工的风险和成本，有效降低了101 工作面水害事故发生概率，保障了煤矿开采的安全性，为煤矿创造了较好的安全经济效益。

4 结论

山东丰源远航煤业公司北徐楼煤矿101 工作面顶底板水害发生频繁，危害严重，针对这一情况提出井上下物钻探相结合防治水方案。应用三维地震、瞬变电磁、无线电坑透勘探技术查明了工作面地质构造情况和顶底板含水层富水性，对于物探圈定的富水异常区和地质构造进行了钻探验证，然后根据物探和钻探成果合理设计了101 工作面的排水系统，保持充足的排水能力。101 工作面探放水工程治理效果理想，有效保障了101 工作面开采的安全性。另外，随着科技的发展，北徐楼煤矿也在积极探索物钻探一体化技术的应用，实现钻孔及周围可视化、一孔多见，实现钻孔轨迹明确和探查构造明确，为煤矿工作面的水害防治提供参考。