王家寨煤矿井下巷道超前探测方法研究.pdf

煤炭工程 2 0 0 9年第 1 期 王家寨煤矿井下巷道超前探测 方法研 究 苏德国，刘忠伟 ，牛 高佐矿业有限公司，山东 新泰 摘要在充分对比分析、物探预 测、钻探 验证 的基础上 ，查 明了巷道迎头及底板 的富水 性 ，为王家寨煤矿 南翼下组煤开拓工程的合理调整提供 了科 学的理论依据，为今后矿井的安全生 产奠定 了基础。并为井下水文探测方法的合理选取提供 了有价值的参考，实践证 明，类似条件下 的水文探测任务采用瞬变电磁法更直观 、便捷和准确 。 关键词 水文地质 ；富水性；超前探测 ；瞬变电磁法；直流电法 中图分类号 T D 1 6 3 ． 1 文献标识码B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 O 1 - 0 4 8 4 王家寨煤矿 2 0 0 7年 l 0月在其 一 5 1 0水平南翼总 回风大 巷掘进 施 工期 间 ，迎 头放 炮 后 突 遇一 出水点 ，出水 量 达 3 2 m ／ h 。为保证井田南翼开拓工程的顺利进行，王家寨煤 矿与有关科研部门合作 ，及时展开了对迎头前方出水水源 及通道的探测研究工作 。 1 矿井水文地质分析 王家寨煤矿位于新汶煤田 向斜 北翼，是新泰地方国 有煤矿，设计生产能力 4 5万 a ，2 0 0 7年核定能力 6 3万 a 。矿井分为 一 3 5 0 、一5 1 0两个开采水平。井田可采煤层 6 层，分别是2 、4、1 1 、l 3 、1 5 、1 6煤，目前回采2 、4煤。 矿井含煤地层为华北型石炭二叠系海陆交互相沉积， 煤系基底为中奥陶统石灰岩，煤系上覆地层为第三系红层 和第四系松散沉积物，矿井地层系统 自上而下分别是第 四系 、第三系 、二叠系 、石炭系和奥陶系。 1 ． 1 含 水层 一 5 1 O南大巷出水点附近含水层主要是本溪组徐灰、草 灰和奥灰 ，具 体情况如下 徐灰上与煤 1 6间距 1 7 ． 7 8～ 2 9 ． 3 2 m，平均 2 2 ． 4 0 m，厚 度 3 ． 9 6～1 1 ． 4 0 m，平均 8 ． 2 2 m，分布十分稳定 ，厚度较 大 ， 为灰色至灰黑色泥晶生物碎屑灰岩，灰岩中生物化石较为 丰富，结构较致密，岩溶裂隙不甚发育，但裂隙充填不紧 密，仅局部被方解石所 充填 ，全井 田共 8个钻孑 L 揭露 或穿 过该层，均未见钻孑 L 漏水现象。 草灰厚度 3 ． 2 0～1 1 ． 4 0 m，平均 7 ． 3 0 m，上与徐灰间距 3 ． 5 4 ． 0 m，平均 3 ． 8 0 m，间距较小 ，与徐灰可以视为一个 含水层，井田内未见钻孑 L 漏水现象。 井田内徐灰、草灰埋藏较深 垂深 6 7 0 m以下 ，无露 头出露，补给条件差，富水性已明显减弱，但水头压力大， 与奥灰有一定的水力联系，在下组煤生产阶段，仍应将其 4 8 作为富水性中等含水层对待，采前补作水文地质工作，进 一 步查 明其富水性分区规律 ，确保矿井安全。 奥灰 为灰色至 深灰 色中厚层状 石灰岩 ，致 密坚硬 ，上 部间夹薄层泥灰岩及粘土岩 ，裂隙发育，裂隙宽度 0 ． o 0 1 ～ 0 ． 0 3 m，并见有直径 0 ． 0 0 2～ 0 ． 1 0 m溶 洞 ，溶洞多被 方解石 及粘 土物质充填或半 充填 。奥灰 在本 区是 富水性较 强的含 水层 ，为高压岩溶裂隙型静水，由于其厚度特大，故不可 忽视其静水量对矿井生产的影响。井田西部 F 2 2断层及北 部莲 花山断层上盘煤系地层 与下盘奥灰含水层出现对 口。 1 ． 2隔水层 第三 系红色砂质 泥岩及石 盒子组杂 色泥岩 、粉砂 岩为 良好的隔水层 ，它切断了大气降水 、地表水、第四系潜水 及第 三系砾岩含水层水 与煤系地 层 内各含水 层之 间的水力 联系。分布在煤系各含水层之间的泥岩、炭质泥岩、粉砂 岩及煤层等均具有较好的隔水性能，可有效地阻隔煤系中 下部含水层与煤系上部含水层之间的水力联系。 1 ． 3 断层 的导水性 井田的北、西、南边界分别是莲花山断层、f 、 2 2 、F 2 l 断层 ，井 田内部被钻孔 或生产巷 道所揭露控 制的 主要 断层 共 1 3条 ，断层带主要 由泥质胶 结的砂岩 、粉 砂岩及砂质粘 土岩组成 ，偶见石灰岩角砾 。 井田东部 5 5号钻孔在揭露断层之前，就于第三系砾岩 中发生漏水 ，一 直穿过 断层 带至奥 灰终孔 ，始终 漏水 。钻 孔混合抽水试验，单位涌水量 q 0 ． 3 5 8 s m 主要为第 三系砾岩及奥灰水 。1 0 1 号钻孔混合注水试验，单位涌水 量 q 0 ． 0 0 2 0 8 L ／ s- m。由此可见 ，井 田内断层 的含 水性 及导水性均很差。 1 ． 4 含 水层 间的水 力联 系 在煤系地层中，由于各含水层与煤层之间均有粉砂岩、 收稿 日期 2 o o 8 0 9 0 3 作者简介苏德国 1 9 6 7一 ，山东蒙阴人，采矿高级工程师、注册安全工程师，1 9 9 2年毕业于阜新矿业学院，有多项 专利、科研成果，在核心期刊上发表论文数篇，现任山东高佐矿业集团公司总工程师。 2 0 0 9年第 1期 煤炭工程 泥质岩及粘土岩所隔，且由于断层导水性微弱，因此在正 常情况下其问无明显的水力联系。煤系地层被第三系红色 粘土质粉砂岩所覆盖 ，大气降水 、地表水、第 四系潜水及 第三系上部砾岩水与煤系含水层及煤系下伏徐灰、草灰含 水层之间在正常情况下其间无明显的水力联系。 奥灰在井田北部边界附近有零星出露，但露头位置地 形较高，地表迳流条件好 ，可少量接受大气降水。 在井 田北 部边界莲 花山断层 及西部边 界 R2断层 的局 部地段，井田内煤系地层及徐灰、草灰含水层可与井田外 奥灰发生对口接触形成水力联系，接受少量补给。井 田内 部 由于断层 的切错 ，局 部地段 四灰 、徐 灰及草 灰与 奥灰可 形成对口，使矿井水文地质条件趋于复杂化。 2巷道水文探测方法 2 ． 1 巷道 工程特 征 一 5 1 0水平南翼 总 回风巷 为 矿井 基本 开拓 工程 ，自 一 5 1 0南翼总回风巷联络巷向东南方向掘进，将依次穿过 6 煤、一灰、F 一 断层、F 断层、F ， 一 。 断层、1 l 煤 、四灰、 1 3 煤 ，F 一 、F 、F 。 一 ， 和 F ⋯ 巷道底部有徐灰、草灰和奥 灰。预计巷道揭露煤层产状倾 向3 0 0 。 ，倾角 1 0 。一1 4 。 。 主要揭露 岩层 为灰 白色粉 砂岩 或细 砂岩 ，深灰 色粉 砂 岩 、 泥岩、粉砂岩互层及灰绿色中细砂岩。 2 ． 2 巷道底板徐灰、奥灰水文探放孔 为探明巷道下部岩层含水情况，确保施工安全，当巷 道掘进过 F 、F ．， 之后，在巷道--N对徐灰和奥灰水文 情况进行 了钻探 。钻孔柱 状见 图 1 。 1 徐灰孔2 0 0 7年 5月 1 7～ 2 9日施工钻孔 2个 ，第 一 孑 L 俯角 1 2 。 ，方位 2 3 7 。 ，钻孑 L 深度 3 2 ． 6 7 m，钻孔 基本无 水。第二孔俯角 7 5 。 ，方位 2 3 7 。 ，钻至 1 7 ． 6 m时揭露 F ⋯ 断层，见徐灰后 ，探孔出水，孔深 2 4 ． 1 8 l l ，实测徐灰水压 3 ． 8 MP a ，推算原始静止水位标高 一1 4 4 m，出水后水 量基本 稳定在 2 ． 4 m ／ h 。2 o o 7年 1 1 月 1日实测涌水量 1 ． 0 7 m ／ h 。 2 奥灰孔 2 0 0 7年 6月 1 0 2 4日施工垂直钻孔 1个 ， 探测在钻至 7 ． 4 m 时见徐灰 ，层厚 1 1 m；在钻至 2 2 ． 8 m时见 草灰 ，层厚 1 0 ． 8 m，间夹 4 m厚 的粘土岩 ；在钻至 4 2 ． 2 m时 见奥灰 ，直至终孔。根据设计分段下设套管、注浆、打压 试验 ，实测孔 口水压 4 ． 5 MP a ，涌水量 2 ． 2 3 m ／ h ，奥灰原始 静止水位标高 一 9 9 ． 4 m。 自出水后水量有所增大 ，现基本稳 定在 2 ． 4 m ／ h 。 2 ． 3物探 工程 根据徐灰和奥灰的探测情况，分析认为，不会对掘进 造成很大的影响，但当掘进到 1 0月 2 6日，掘进迎头炮后 迎头出现一出水点，出水量为 3 2 m ／ h ，为确保安全，停止 迎头施工 ，对 巷道底 板 、迎头前 方进行 探测 ，查 明水 源和 出水通道 ，预测预报前方 、迎头底板含水性。 当前井下探 测 以直流 电法 、音 频 电透视 法 、矿 井瞬变 电磁法为主。为确保探测结果的准确率 ，通过调研分析， 厚 度 柱 状 岩性描述 寸 粘土岩或泥灰岩 g 揭露煤线厚 O ． 3 m 一 一 徐 灰厚 1 l m ’ n、 g 草灰厚 l 0 ． 0 8 m， 灰黑 三 t 色 局 部 含 黄 色 矿 物 质 一阜 l 和方解石极坚硬 。 - 一 吕 红色粘土岩 o。 、 奥灰 g 灰岩岩性较软 ，中 I n 牟 ； 含有 一层 l m厚 的 浅蓝色灰岩 终孔深1 3 4 ． 0 7 m 、 图 1 探放奥灰水钻孔柱状 选用加拿大 G e o n i c s 公司研制生产的P R O T E M 4 7型瞬变电磁 仪进行超前探测，然后用直流电法进行了探测对比，详细 比较如表 1 所示 。 2 ． 4钻 探验 证 为确保下一步巷道的安全掘进，在 一5 1 0大巷继续掘进 之前 ，对探测结论 中的主要异常 区域 布置 了三个验证 钻孔。 验证孔 的布置如 图 2所示 ，验证情况如表 2 所示 。 图 2 探水钻子 L 布置 2 根据迎头3个验证孔及后方徐灰、奥灰水文探测孔实际 钻探揭露情况，瞬变电磁法的探测成果具有很好的吻合性。 对比分析上述两种物测方法，不难看出，对于 一 5 1 0南大巷 这样的地质条件，瞬变电磁探测更便捷、直观和准确一些。 4 9 煤炭工程 2 0 0 9年第 1期 表 1 瞬变电磁 法与直流 电法对比 方法 瞬变电磁法 直流电法 探测 一 5 1 0大巷迎头前方 、底板 以下含 探 测 目的 探测 一 5 1 0大巷迎头前方 、底板以下含水导水情况 水 导水情况 垂直向下探测巷道底板岩层 含水情况 ，探测 1 5 0 m 范围，探 测距离 7 0 m； 在迎头进 行超前探测 一次 ，布置 电极 水平超前探测掘进前方和下方岩层 的含水 性 ，l 2个方 向，探 测距 离 7 0 m；向 一组 ，测量 数 据 9 O组 ；底 板布 置 电极 一 探测 下 3 0 H0超前探测掘进 前方和下方 岩层 的含水性 ，1 2个方 向，探 测距 离 7 0 m； 组 ，测点 间距 l O re，最小 极距 l O m，最 大 工作量 向下 6 o o超前探测掘进前方和下方岩层的含水性 ，1 2个 方向，探测距离 7 0 m； 极距 8 0 m，南翼回风大 巷回 3 2号测点 附近 沿巷道轴线竖向面超前探 测掘进前方 和下方岩 层的含水性 ，5个 方 向，探测 布置 了 1 5个 测点 ，测量 1 51 5组数 据 ， 距离 7 0 m。 即 2 2 5组 。 1 底板岩层含 水性主要探 测工作成 果。主要低阻 异常段位 于断层上下 盘 ，上盘为徐草灰强含水 区，下盘为徐草 灰弱含水 区和奥灰较 强异常 区，徐 草灰和奥灰含水因 F 11断层引起 ，离断层较远处含水性弱 。 1 在 南翼 回风大 巷 回 3 2号 点 前 方 2 掘进迎头超前探测主要工作成果。异常范 围以巷道轴线为基准 ，从 4 7 m、6 7 m、8 7 m、9 5 m和 1 2 0 m附近存在五 左 3 0 。～右 5 0 。 ，向下 0 。～3 5 。 ，在 掘进迎头前方 3 57 8 m，为徐草灰 和奥灰 处视电阻率 低阻异 常，巷道掘进 通过 1号 的导通含水带。由于瞬变 电磁对异常 的放 大作用 ，这个导水联通带 也可能缩 异常后水量逐渐减小直至消失 ，2、3 、4号 小。但基本稳定在 3 5～ 7 0 m范围。与底 板探测的电阻率相 比 ，超 前探测的异 异常的性质基本相 近，幅值和 范围相对 较 常带 电阻率偏低 ，预计前方异常带 的含水 量较大。迎头前方异 常区形态基本 小 ，掘进过程 中会出现小的滴 、淋水现象 ， 呈现条带状 ，这与断层引起 的异常 特征类似 ，推断异 常区 中心位 置为 F 12 但对掘进不会 产生 大 的影响 ，5号异常 的 断层大致位置。 幅值相对较大 ，但 因距离 相对较远 ，可 靠 探测结果 3 迎头 出水水源分析。迎头出水来源于前方探测的含水异常带 ，含水异 性相对较弱 ，建议掘 进 7 0 m后 再进行一 次 常带水源为奥灰承压水经裂隙与上覆徐 草灰水 的连通体 ，由于受 F 1 2断层 超前探测验证 。 的影 响，使下盘的奥 灰与上盘 的草灰对接 ，在 断层破碎 带附近 形成 富水区 ， 2 南翼 回风大巷 回 3 2测点 附近底 板 并与上部的徐灰沟通 ，沿层向有一定 范围的扩展 。由于过 F 11断层后巷道 视电阻率低 阻异常剖 面图上可 以看出 主要 底板与徐灰仅隔有 7 m左右的泥灰岩 ，经现场观察 ，迎头处泥灰岩层理及裂 隙 异常区在 6～ 9号测点附近 ，表 现为奥灰 富 非 常发育 ，当掘进放炮后 ，爆破使裂隙进一步 延伸扩 大，当裂隙波及 到富水 水性相对较强 ，深部灰 岩水 向上 有一定 的 区后 ，高承压水便会沿此通道涌出。从 出水点 的涌水量 大小来分 析 ，表明一 导升。迎头附近也 有一小 的异常 区，从 图 方 面目前出水通道并 不畅通 ，另一 方面 出水 点距离承压 富水 区域还 比较远。 上分析与深部奥灰没有直接联系。 但需引起注意的是 ，当巷道迎头继续掘进靠近 富水区域时 ，出水量将 逐渐增 大 ；当距离小到一定程度时 ，高承压水将突破破碎岩体瞬间涌 向掘进工作面。 表 2 钻探验证孔情况 L 号 1 2 3 实际钻进 以巷道 轴线为 基准 ，左偏 4 0 。 、 方位 以巷道轴线为基准右偏 l 5 。 ，俯角 1 5 。 以巷道轴线方 向施工水平钻孔 俯角 2 0。 实际钻进 8 4 ． 7 9 9 ． 2 7 0 ． 7 深度／ m 自开孔 粘土岩 5 ． 9 5 m；灰 岩 6 ． 6 5 m；煤 线 7 ． 1 5 m 煤 自开孔 灰色粘 土岩 5 ． 5 m；白 自开 孔 粘 土 岩 5 ． 9 m；煤 线 线 厚 0 ． 5 m ； 徐 灰 3 3 ． 3 m；煤 线 3 3 ． 6 m 煤 线 厚 色粘 土岩 9 ． 2 ；灰岩 9 ． 8 ；煤线 6 ．4 m煤 线 厚 0 ． 5 m ；徐 灰 0 ． 3 m ；徐灰 4 2 ． 3 8 m；泥岩 5 9 ． 5 m；草 灰 7 5 ． 2 4 m；煤 1 0 2 m； 徐灰 3 4 ． 5 m； 煤 1 9 m； 泥岩2 5 ． 5 m； 徐灰 揭露岩性 3 5 5 m；泥 灰 岩 4 7 ． 6 m；灰 岩 线 7 6 ．4 4 m 煤线厚 1 ． 2 m ；灰 白色 泥岩 7 7 ． 1 2 m；灰 黑 3 1 ． 8 m； 泥 岩3 5 m； 草 灰 色泥岩 7 8 ． 3 2 m；草灰 8 1 ． 1 8 Il l ；红色泥岩 8 3 ． 5 m；灰 白 4 9 m；泥灰岩 6 4 ． 6 m；砂 质粘 土 3 5 ． 5 m；粘 土 岩 3 6 ． 1 ；草 灰 岩 7 4 ． 4 ；中砂岩 8 2 ． 3 m；粘 土 色泥岩 8 4 ． 7 m。 5 0 ． 5 2 m红色粘土岩 7 0 ． 0 7 m。 岩或泥灰岩 9 9 ． 2 m。 钻 至 1 2 m 时 L内 开 始 出 水 钻进 5 ． 9 5～ 9 1 2 m处有较小水源 3 ． 2 m ／ h 存 在；2 0～ 0 ． 6 m ／ h ；到 1 4 ． 4 9 m孑 L 内水 在迎头超前 8～1 5 m处从取芯情 出水情况 3 1 ． 1 9 m处从取芯情况看岩性较破碎 ，裂隙发育 ，有较 量为 1 ． 9 il l ／ h ；孔深 3 5 ． 5 m见 况看 岩 性 较 破 碎 ，裂 隙 发 育 ， 大水源 2 2 ． 8 m ／ h 存在 。 煤后 水 量 突 然 增 大 1 9 ． 3 m ／ 有较大水源 2 3 m ／ h 存在。 h ，4 7 ． 6 m后水量逐 渐消失。 5 0 2 0 0 9年第 1 期 煤炭工程 大倾 角 “ 三 软“ 孤岛综采工作面回采技术 方玉安 淮南矿业集团有限责任公司 潘集第三煤矿 ，安徽 淮南2 3 2 0 9 6 摘要 大倾角综采工作面回采的关键技术是工作面输送机的防滑与液压支架的防倒 ，论文 针对其产生的原因进行分析，并提 出解决办法；同时介绍 了 “ 三软”孤 岛综采面回采 时对煤帮 和顶板的控制技术，以及两巷的矿压治理技术，为同类型综采工作面的安全回采提供技术参考。 关键词综采面；三软；回采技术；煤巷加 固 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 1 _ 0 5 l - 3 1工作面概 况 潘三矿 1 2 5 1 3 综采 面位于西一采区，地面标高 1 9 ． 6一 2 2 ． 3 m，工作 面标 高 一5 5 7～ 一6 8 7 m，走 向长 1 3 4 3 m，倾斜长 1 0 9 ． 41 3 1 ． 1 m，平均 1 2 0 m，回采 1 31 煤 层，平均煤厚 3 ． 6 m，煤层平均倾角2 6 。 ，最大为 4 0 。 ，煤的 普氏硬度系数f0 ． 5 ；直接顶为 1 3 2煤与砂质泥岩组成 的复合顶板，厚6 ． 3 m；直接底为泥岩，厚5 ． 7 m，属典型的 “ 三软”煤层 。 该面进风巷沿 1 2 6 1 3 采空 区布置 ，回风巷沿 1 2 4 1 3 采空区布置，进回风巷与采空区之问的保护煤柱为7 m，为 “ 孤岛”工作面 见图 1 。两巷的支护形式顶板采用高预 应力锚杆 金属网 M5型钢带进行一次支护 ，锚杆规格 2 0 mm 2 4 0 0 ra m，问排距为7 00m m7 00mm，然后滞后 迎头 3 0 m在钢带之间采用 1 8 m m8 2 5 0 m m锚索进行二次 支护，每排4根。两帮采用锚杆 金属网 3 mm厚扁铁支 护 ，锚杆 规 格 2 0 m m X 2 4 0 0 m m，间排 距 为 8 0 0 m m 7 o0mm。 该面采用走向长壁式后退式综合机械化采煤，全部垮 落法管理顶板 ，采高为 3 ． 2 3 ． 4 m。 1 一 一 6 5 0 m西二运输 大巷 ；2 -- 一 6 5 0 m西一石门 ；3 -- 一6 5 0 m西二石 门；4 一西一 回风煤下山 5 1 2 5 1 3出煤巷 ；6 一西一 8煤胶带机巷 ；7 一西一 8煤胶带机石 门 图 1 1 2 5 1 3 工作 面巷道 平面图 3结语 在充分对比分析 、物探预测、钻探验证的基础上，查 明了巷道迎头及底板的富水性 ，为王家寨煤矿南翼下组煤 开拓工程的合理调整提供了科学的理论依据，为今后矿井 的安全生产奠定了基础。 通过本 次探测 实践 ，为新 汶煤 田井下 水文探 测方 法 的 选取提供了较为成功的途径，实践证明，类似条件下的水 文探测工程采用瞬变电磁法更直观、便捷和准确。 责任编辑章新敏 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 2 2 作者简介方玉安 1 9 7 0一 ，男，安徽寿县人，工程师，毕业于淮南矿业学院采矿系采矿工程专业，现在淮南矿业 集团 有限责任公司潘集第三煤矿从事安全管理工作。 5l