煤层顶板水探放关键技术研究与探讨

王 刚，宋雯静，朱 伟

（1.枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 微山 277606；2.山东煤炭学会，山东 济南 250031）

0 引 言

井下物探通常可以采取诸如音频电穿透等多种方法，根据《煤矿防治水细则》的要求，采煤工作面应当选择两种以上方法，相互验证[1]，采集数据，分析、处理、解释数据，形成此成果报告，为工作面回采提供基础物探资料，若发现断层、裂隙或者陷落柱等构造充水的，应当采取相应的安全措施；否则，不得回采。物探报告中煤层顶板富水异常区的疏放治理，是对顶板导水裂隙带范围内的含水层或者其他水体的一种超前治理，杜绝工作面生产突水的重要措施[1]。

1 顶板水的分类和富水区的判定

1.1 水害类型

水害类型指地表水、孔隙水、岩溶水、断裂构造水、顶板水、底板水等多种水[2]。

1.2 顶板水

1）开采煤层顶部无采空区积水，即开采煤层上部无已开采的煤层，这时顶板水指的就是煤层顶板含水层对应的水体。

2）正在开采煤层上部煤层已被开采，且采空区内有积水，这时的顶板水指的就是老空水。

这里的顶板水类型的划分主要以空间分布来划分的，确定好顶板水的类型，才能为疏放技术提供有力佐证；细分一下水源，顶板水的水源除生产涌水，基本上还是含水层水体为主。

1.3 富水异常区空间层位

1.3.1 物探分析

经物探报告分析，某工作面顶板方向上共存在2 处低阻异常区域为Ⅰ、Ⅱ，Ⅰ区分布在工作面内，距切眼215～290 m，异常高度15～65 m，异常宽度3～53 m；Ⅱ区在工作面内，距切眼300～385 m，异常高度17～80 m，异常宽度5～73 m，见图1。

图1 富水异常区域范围

1.3.2 瞬变电磁探测

1）瞬变电磁法是在地面瞬变电磁法基础上发展而来的，不同之处为进行的场所不同，矿井瞬变电磁法在井下巷道内进行，而瞬变电磁场呈全空间分布，故全空间效应为矿井瞬变电磁法固有的问题（见图2）。但此法在探测井下工作面顶底板含水层的含水情况方面具有其自身的优势，如：施工空间小、指向性强、横向分辨率高等。

图2 瞬变电磁半空间与全空间烟圈效应示意图

2）高阻介质易于通过电磁波，但是对直流电场却有一定的屏蔽性，煤层作为高阻介质，对TEM 没有屏蔽性，接收圈接收的信号来自于发射圈周围全空间岩石电性的综合反映。故可根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析来判定异常体的空间位置。

1.3.3 数据处理

瞬变电磁法即通过对采集到的数据进行去噪处理后计算出视电阻率曲线，再通过时深转换处理得到各测线视电阻率断面图，最后结合矿井地质资料综合分析各因素划分出岩层富水区的分布范围。

查阅矿井瞬变电磁法的应用相关文献[3-5]，对矿井瞬变电磁法的应用情况得出以下认知：

1）作为时间域电磁感应法的补充和完善，因其在巷道围岩介质中具有有全空间效应和巷道影响，因此巷道影响下的全空间瞬变电磁场的分布变化规律也是矿井瞬变电磁法的理论基础。

2）实践表明为提高瞬变电磁场的强度而采用的通过增加线圈匝数的做法有效的提高了探测信号信噪比，但却引起了视电阻率计算值偏低且偏离实际情况很大，需进行校正。

3）合理选择测点位置，采用多次叠加技术有效保证了井下探测质量，避免了由于一些客观因素对观测结果产生的影响，同时发射和接收线圈的位置及角度对提高地质应用效果也极为重要。

4）陈强、赵敏等的研究[6-8]表明矿井瞬变电磁法具有其自身优势如：巷道施工空间对TEM 法限制小、测量方法的选择更为灵活等。因此，巷道影响下全空间瞬变电磁场正演理论的建立，不仅能扩大此方法的应用领域同时在高渗透应力条件下水与瓦斯突出的预测预报等应用中也前景良好。

2 导水裂隙带及地层分布

2.1 工作面导水裂缝带高度

根据参考文献1 中对《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》（以下简称《建下规范》）附表6-2 中硬型岩层公式计算导水裂缝带高度[1]。

公式（1）（《建下规范》附表6-2 公式之一。为增大安全系数，中误差取+5.6）：

式中：Hli为导水裂缝带最大高度，（m）；ΣM为累计采厚，（m）；采厚3.5m。

则导水裂缝带最大高度为：

公式（2）（《规程》附表6-2 中公式之二。参数同前）：

导水裂缝带高度取公式（1）和公式（2）计算的最大值，即：导水裂缝带高度47.4 m[1]。

2.2 3 上煤顶部含水层分布

2.2.1 下石盒子组底部砂岩

下石盒子组岩性以厚层杂色泥岩、灰绿色粉砂岩为主，间夹细、中、粗砂岩。下石盒子组底部砂岩以中、细砂岩为主，平均厚度15.5 m，下距3上煤层顶板99.41 m。砂岩成分以石英为主，次为长石，多为泥、钙、硅质胶结，具裂隙，充填方解石。

石盒子组地层大部地区为上侏罗统地层所覆盖，埋藏较深。本组上部岩性主要为厚层泥岩、砂质泥岩，因此，难以接受上侏罗统砾岩水的下渗补给。井田内抽水试验2 次，单位涌水量0.005 5～0.028 3 L/s·m，矿化度0.637 g/L，水化学类型HCO3-·Cl·SO4-Na，富水性弱。因此下石盒子组底部砂岩含水层对本工作面无影响。

2.2.2 煤顶底部砂岩

煤顶部岩性以中砂岩为主，局部相变为粉砂岩、砂质泥岩。砂岩平均厚度26.01 m，泥钙质、硅质胶结，具裂隙，内充填方解石，局部中砂岩裂隙较发育，单位涌水量0.000 04～0.005 9 L/s·m，水化学类型HCO3-Na·Ca～HCO3·SO4-Na，矿化度0.235～0.842 g/L，富水性弱。

煤顶底部砂岩最大埋深850 m，无露头，补给条件差，富水性弱，以静储量为主。煤顶部砂岩水为工作面回采期间的涌水水源。

2.2.3 太原组第三层石灰岩

3上煤底部主要含水层为太原组三灰，距3上煤层底板平均距离88.44 m，含水层平均厚度9.3 m，富水性不均一。三灰无露头，补给条件差，以静储量为主，充水空间不发育。

2.2.4 奥陶系灰岩

井田内有19 个孔揭露奥灰，最大揭露厚度83.52 m（X6-17 号孔）。其中漏水孔6 个，漏水孔率31.7%。从钻探取芯观察，奥灰裂隙发育，充填方解石，有溶蚀现象。单位涌水量为0.003 8～0.561 L/s.m，水化学类型为SO4- Ca·Na、SO4-Na·Ca，矿化度4.677～4.901g/L。

2.3 工作面突水性危险性分析评价

根据矿井2021-1 奥灰水长观孔，水位-125.7 m计算奥灰突水系数。

根据矿井2021-2 三灰长观孔，水位-598.5 m计算三灰突水系数。

2.4 钻孔布置分析

1）异常区最高发育高度为80 m，按照煤层倾角9°计算，发育高度层位约为顶板上79 m，根据煤层顶板含水层分布富水异常区接近下石盒子组底部砂岩含水层；且石盒子组含水层富水性明显大于3 煤顶板砂岩含水层富水性。

2）导水裂缝带高度取公式（2）计算的最大值，即：导水裂缝带高度47.4 m，对应层位为煤顶部约16 m 泥岩底部，泥岩为隔水层，且根据钻孔分析完整无构造影响，为完整隔水层。

3）施工探放水钻孔的目的是为了认为形成导水通道，对富水异常区进行疏放，防止推采期间顶板裂隙导通富水区造成突水事故。这里我们就是讨论，探放水钻孔施工是否要穿过富水异常区。

4）根据各规程、细则分析，没有明确要求穿过富水异常区，但是必须做到物探、钻探相互验证；钻孔作为人为形成的导水通道，施工至下石盒子组含水层，相当于对下石盒子含水层进行疏放，导致含水层周边的水体汇聚，顺着导水通道形成自流水。

5）综上分析，富水异常区的疏放，应当结合导水裂隙带发育高度和煤层顶板含水层及岩层含（隔）水性进行综合分析，穿过含水层并不是最好的疏放手段，极有可能人为形成导水通道，造成对生产的负面影响。在后期资料处理和解释中，针对本次探测的地质任务的特点，结合相关地质资料并采取相应的技术手段经过全面的分析和处理，大大提高了成果的可靠度。

6）探放水工程作为治理水害的重要手段，各方面都要考虑到，不能大而化之，具体情况具体分析，同样的基础资料，不同的分析思路，得到解决问题的方法也不同，局限大大制约了治理的效果。

2.5 防治水措施

1）道低洼点施工水仓，工作面回采前，必须提前形成完善的排水系统和相关设施，保证2 路排水管路。确保工作面排水能力不小于最大涌水量的1.5倍。各排水点准备好备用水泵、接头，易于连接更换，确保备用泵、开关、并线随时启动。加强对沿途临时水仓、中央水仓水泵及排水管路等设备检修检查，完善排水系统，保证排水系统运转正常。

2）加强工作面初次来压及顶板初次跨落期间水情水害观测工作，并在机头排水点处配备2 台流量不小于最大涌水量1.5 倍的水泵，1 台工作，1 台备用。以便涌水及时排入水沟内。

3）完善避灾路线与应急处置措施，加强安全技术措施的贯彻学习和日常警示教育培训，提高职工安全意识。

3 离层水与顶板水钻孔的关系讨论

3.1 离层水

1）离层水，即离层空腔积水，煤层开采后，由顶板覆岩不均匀变形及破坏而形成。

离层水也是顶板水害类型之一，受威胁的矿井，应提前判断出离层发育的层位，并采取一定的手段，破坏离层空间的封闭性、预先疏放离层的补给水源或者超前疏放离层水等。

2）一个工作面是否有离层水的形成主要取决于上覆岩层的岩性、富水性、导水裂隙带的发育高度及导水通道4 个要点。因离层水发生的事故较少，很多单位对离层水的认知比较浅显；经过长期的开采经验分析，离层水形成需要一个过程，是一个采空区面积随回采增加、隔水层岩层发生弯曲变形形成空腔、含水层水量向空腔汇聚、岩层超过形变极限发生断裂、水量突然涌出的一个过程。

3）因此离层水的形成必须存在含水层、隔水层，分析煤层上部岩层性质，是判断离层水形成的一个重要手段；矿井地质勘察阶段、地质补充勘探施工的钻孔对分析离层水的形成有非常重要的意义[9]。本次研究的矿井和以往开采经验分析，经过水文孔等抽放水实验验证，3 煤顶板泥岩为隔水层，砂岩为弱富水性含水层；结合煤层上部岩性，具备形成离层水的条件。根据已有回采结束的2 个工作面具体分析，工作面跨度大的，在回采结束3 个月后，采空区积水从密闭墙返水池流出；工作面跨度小的，回采结束接近一年采空区积水从密闭返水池流出；2 个工作面的顶板水都通过前期物探进行探查，且进行钻探验证，回采期间并没有发现采空区有水溢出，说名顶板砂岩含水层为弱富水性，符合水文孔抽水试验结论，但是回采结束后采空水溢出，应为含水层水汇聚产生，根据水量推测为离层水，但是发生的时间不一样，主要的影响因素为以下几方面：顶板岩性的硬度、工作面跨度、推采进度、弯曲下沉带的形成面积等。

3.2 超前钻探形成导水通道

1）分析离层水形成的机理，结合形成要素才能对症下药，精准治理，物探结果只能为我们提供富水异常区和构造异常区的参考建议，但是却没有为我们提供因采动影响而人为形成的水害，是必须要正视的问题。

2）在现在已有的治理手段中，超前疏放是一个有效手段，但是离层水是因为采动过程中形成的，超前疏放就需要通过分析离层水形成的空间形态和空间位置；这就需要从三带形成理论方面来分析了，离层水的形成主要就在弯曲下沉带部位，因此我们这里最主要的任务就是分析弯曲下沉带形成轴部位于工作面位置，并根据冒落带和裂隙带发育高度来确定钻孔施工层位，避免因远距离施工导致穿透其他强含水层，形成导水通道，给生产带来重大影响。

3）只做物探而没有综合全面分析是片面的，更是不负责任的，物探、以往物探资料、三带观测资料、岩层分析等，缺一不可，要效益，我们更应该要安全；以往地质勘探资料为矿井开采提供的是指导意见，高精度物探资料、报告，提供的则是精细化、准确化的地质资料，突水性危险性分析评价做出的总结针对的是全井田范围内的评价，而针对某一工作面必须单独进行物探，这就是考虑地质勘探的误差性。对待水害治理如果只是疲于应付，不能形成自己完整、科学的治理体系，是存在隐患的，成立专业的分析机构是比不可少的，也是大势所趋。

4 结 论

1）应辩证的看待矿井物探的多解性，即富水区在不同时期存在不同的阶段特性，物探工作所获取的资料是地层、构造及赋存水体在静态下的反映，而受到井下采掘活动的影响，地应力及地质水文情况均会有不同程度的变化。

2）因物探资料与实际地质资料不能结合分析，非但不能取得治理效果，反而会形成新的隐患，给生产带来严重危害；新技术、新工艺的应用也必须配合新的理念，才能取得好的效果，对今后工程的施工都具有研究价值。

3）水害治理不是一个阶段性的工作，而是长期动态的治理方式，水害形成的过程就是我们治理的过程；同一地点的水源经过时间、空间的发酵，形成的水害类型也是不一样的[10]，先进的治理理念和科学的治理手段充分应用到灾害治理中，对煤矿开采现阶段具有十分重要的意义。