基于综合探查手段的深埋矿井工作面顶板富水性分区_梁向阳.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 我国鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田深埋区位于盆地中部， 由于煤层埋深相对较大 （一般超过 600 m） ， 区 内矿井在开发前期的投入力度较小。近年来，随着 东部区域矿井资源的枯竭，以及煤矿开采技术的不 基于综合探查手段的深埋矿井工作面 顶板富水性分区 梁向阳 1,2 （1.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054； 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710077） 摘要 以巴彦高勒煤矿 311101 首采工作面为例， 在工作面回采前， 先通过瞬变电磁法、 音频电 透视法相结合的物探工程， 探测煤层顶板富水异常区， 再布置钻探工程进行顶板水疏放， 掌握钻 孔涌水量和水压分布情况。 综合物探和钻探工程成果， 最终确定划分工作面顶板富水区。 结果表 明 顶板物探工程探测出 6 处富水异常区， 施工的 56 个顶板水疏放钻孔中， 钻孔涌水量和水压 分别划分为 4 个数值区间， 综合分析后将工作面顶板富水区划分为 4 个， 并在工作面回采过程 明显发现， 每经过 1 处富水区时， 工作面涌水量均会出现 1 次 “阶梯式” 增长， 验证煤层顶板含水 层富水性分区的合理性和准确性。 关键词 侏罗纪煤田； 深埋矿井； 物探和钻探工程； 涌水量； 富水性分区 中图分类号 TD745文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0161-05 Water-rich Partition of Working Face Roof of Deep Buried Mine Based on Comprehensive Exploration s LIANG Xiangyang1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710054, China;2.Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xi’ an 710077, China） Abstract The 311101 first mining face in Bayangaole Coal Mine is taken as the example. Before mining in the working face, geophysical exploration project combining transient electromagnetic with audio frequency electric perspective are used to detect the abnormal water-rich area of the coal seam roof. Then the drilling project is arranged to dredge roof water and master the distribution of water inflow and water pressure. Based on the results of geophysical exploration and drilling engineering, the water-rich area on the roof of the working face is determined and divided. The results show that six abnormal water-rich areas are detected in the roof geophysical exploration project, and the water inflow and water pressure of the fifty-six roof water drainage boreholes are divided into four numerical intervals. After comprehensive analysis, the roof water-rich area of the working face is divided into four parts; in the mining process of the working face, it is obvious that the stepped increase will appear for the water inflow of the working face for every water-rich area. This phenomenon verifies the rationality and accuracy of water-rich partition of the roof aquifers. Key words Jurassic coalfield; deeply buried mine; geophysical exploration and drilling engineering; water inflow; water -rich partition DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.035 梁向阳.基于综合探查手段的深埋矿井工作面顶板富水性分区 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 161-165. LIANG Xiangyang. Water-rich Partition of Working Face Roof of Deep Buried Mine Based on Comprehen－ sive Exploration s［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 161-165.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804100） ； 国家 自然科学基金资助项目 （41807221） 161 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 断提高，加之本区煤层的良好品质和丰富储量， 对 区内深埋矿井的开发利用规模则日益增大[1-2]。但随 着各深埋煤矿建设、生产进度的不断发展，矿井顶 板水害问题逐渐凸显，为煤层采掘工作带来前所未 有的困难和挑战[3-4]。如何合理防治顶板水害以及高 效开发煤炭资源则成为了区内矿井亟需解决一大问 题[5-6]。在此期间， 诸多学者和科研人员从不同角度 出发、通过多种手段对区内的顶板水害防治进行了 探索和研究。 邸春生[7]等采用沉积地质学方法研究矿井含水 层空间展布规律，对直罗组含水层进行识别、定位 和精细划分圈定顶板砂体富水条带，并通过井下探 放水进行验证。杨建[8]等从地形地貌、 含水层沉积特 征和水力联系、工作面涌水量变化等方面分析， 提 出 “地貌-沉积” 控制含水层富水性。徐圣集[9]从地质 沉积、空间分布、富水规律和涌水量等方面进行分 析， 对侏罗系煤田 “真武洞砂岩” 和 “七里镇砂岩” 具 有高水压、 强富水、 非均一的特征开展研究。方刚[10] 等通过选取 6 种分区指标，采用层次分析法计算权 重、 构建指数模型， 对侏罗系延安组、 直罗组含水层 富水性进行划分。黄欢[11]等基于 “富水性指数法” 建 立模型，对煤层顶板侏罗系中下统含水层涌水进行 危险性评价。李梁宁[12]等通过研究声波测井数据与 有效孔隙度相关关系，分析含水层空间展布特征， 预测砂岩含水层富水性。刘基[13]等通过地层沉积相 和砂体展布规律，选取砂地比和砂岩厚度主控因素， 运用 AHP 和 GIS 方法划分煤层顶板砂岩富水性。 黄 浩[14]等通过理论计算、 数值模拟、 相似材料模拟和现 场实测手段对深埋区侏罗系煤层顶板导水断裂带发 育高度进行研究， 为后期防治水工作提供依据。 综上，目前取得的各类成果均有助于区内深埋 矿井的顶板水害防治工作开展。以位于鄂尔多斯盆 地侏罗纪煤田深埋区内的巴彦高勒煤矿 311101 首 采工作面为例，通过物探和钻探工程的成果分析， 对矿井首采工作面顶板富水区进行划分，而后根据 对工作面回采过程中的涌水量监测，通过涌水量变 化趋势验证前期顶板富水区划分的真实效果。研究 区在煤层开采过程中的主要顶板充水水源为侏罗系 延安组和直罗组含水层水，由于其地质历史时期均 为陆相沉积，导致其砂岩含水层富水性具有极不均 一性，对于矿井及工作面水量的预测往往比较困 难。因此，通过本次矿井首采工作面对顶板含水层 富水性分区的准确划分，可有效指导矿井后期各工 作面防治水工作的有效开展。 1研究区概况 1.1基本情况 巴彦高勒矿井位于蒙陕接壤区的呼吉尔特矿区 内东南部， 行政区划属鄂尔多斯市乌审旗管辖， 是淄 矿集团在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田深埋区建设的 1 对大型现代化矿井，也是该区域首个投产的矿井。 矿井 311101 首采工作面是呼吉尔特矿区的第 1 个 回采工作面。 工作面位于矿井首采区 （11 采区） 的东 部， 主采 3-1 煤， 煤层厚度 5.39～6.23 m， 平均厚度 5.72 m； 煤层顶板埋深 604.68～631.53 m， 顶板标高 为649.07～666.68 m。 1.2水文地质条件 巴彦高勒煤矿 3-1 煤回采过程中面临的主要 水害类型为顶板砂岩水害，煤层顶板自上而下发育 有第四系孔隙潜水含水层、白垩系孔隙裂隙承压含 水层、安定组孔隙裂隙承压含水层、直罗组孔隙裂 隙承压含水层以及煤层顶板延安组孔隙裂隙承压含 水层； 在安定组顶部发育有安定组隔水层， 在直罗组 顶部发育有直罗组隔水层， 在 3-1 煤顶板发育有延 安组隔水层[9,14]。 侏罗系深埋煤层开采过程中，裂高采厚比一般 在 20 倍左右，即巴彦高勒煤矿 3-1 煤采后导水断 裂带发育高度为 120 m 左右。根据各含水层与煤层 顶板之间相对位置的关系，可以将顶板含水层分为 直接和间接充水含水层。 在自然状态下，位于导水断裂带发育范围以内 的侏罗系延安组和直罗组含水层会成为 3-1 煤采 后的直接充水含水层；位于导水断裂带发育范围以 外的安定组、 白垩系和第四系含水层会成为 3-1 煤 采后的间接充水含水层，若存在封闭不良钻孔等人 为原因形成的导水通道， 这些含水层也可能成为 3- 1 煤采后的直接充水含水层。 分析 311101 工作面范围内的钻孔资料， 在导水 断裂带发育范围内，延安组含水层总的厚度为 20.25～53.00 m，直罗组含水层厚度 16.16～29.10 m， 但无论延安组还是直罗组均呈现出含隔水层互层的 情况， 不同钻孔之间， 含水层厚度差别较大， 含水层 不连续。 2工作面顶板富水性分区 根据对 311101 工作面顶板水文地质条件的分 析，由于含隔水层交互沉积，且含水层不连续， 因 此，根据含水层厚度对工作面顶板含水层进行富水 162 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 性分区可能效果不好。因此，采用物探和钻探相结 合的方法来进行富水性分区。该方法的总体思路为 “物探先行， 钻探验证” ， 即首先开展工作面顶板物 探，划定物探异常区；然后根据物探异常区分布情 况，施工顶板探放水钻孔，根据钻孔终孔水量及水 压分布情况对物探异常区进行验证的排除，最后， 综合确定工作面顶板富水区分布情况。 2.1物探工程 瞬变电磁法[15]、 音频电透视法[16]作为煤矿井下 工作面富水异常区的主要探查方法，其应用广泛、 效果良好。因此， 矿井超前 311101 首采工作面顶板 物探工程探查采用这 2 种方法相结合开展。 矿井瞬变电磁法分别在 311101 工作面主运巷、 回风巷和切眼巷道的顶板施工探测，探测长度分别 为 2 840、 2 830、 260 m， 点距 10 m， 共布置测点 596 个。 矿井音频电穿透在 311101 工作面回风巷和主运 巷的顶板探测施工， 探测长度约 2 830 m。 根据 2 种探测方法探测结果的对应情况，从工 作面切眼开始， 到工作面停采线， 将 311101 工作面 顶板划分为 6 个富水异常区 1） 2 号异常区。 2 种勘探方法异常区平面位置基 本一致， 且异常区呈 2 条带分布在工作面上方， 其中 1 号异常区主要分布在距离切眼 0～230 m 范围， 2 号异常区分布在距离切眼 300～480 m 范围。 2） 3 号异常区。 2 种勘探方法异常区平面位置基 本一致，且异常区呈条带分布在工作面上方，分布 在距离切眼 920～1 120 m 范围。 3） 4 号异常区。 2 种勘探方法异常区平面位置存 在偏差， 分布在距离切眼 1 270～1 460 m 范围。 4） 5 号异常区。在音频电穿透成果图中呈条带 分布在工作面上方， 2 种勘探方法异常区平面位置 存在偏差， 分布在距离切眼 1 790～1 990 m 范围。 5） 6 号异常区。在 2 种勘探方法成果图中位置 基本一致， 分布在距离切眼 2 100～2 380 m 范围。 6） 7 号异常区。 在音频电透视成果图中表现为 2 个条带分布， 2 处富水性异常条带与 2 条巷道瞬变 电磁异常区的 2 个异常中心相对应，分布在距离切 眼 2 490 m～停采线范围。 2.2钻探工程 矿井 311101 工作面采前， 共施工 56 个钻孔， 由 于为矿井及区内首采工作面，钻孔总体按照“均匀 布孔， 全面覆盖” 的原则布置[17]。 根据钻探结果可知，无论钻孔终孔水量还是终 孔水压力均有较大的差异，工作面顶板含水层富水 性极不均一。56 个钻孔中， 有 7 个钻孔单孔涌水量 小于 10 m3/h， 25 个钻孔单孔涌水量在 10～20 m3/h 之间， 20 个钻孔单孔涌水量在 20～30 m3/h 之间， 4 个钻孔单孔涌水量大于 40 m3/h， 工作面疏放水钻孔 涌水量及水压分布图如图 1。其中， 涌水量最大的 4 个钻孔为别为位于物探 3 号异常区及其附近 H6-1、 H6-2 和 H5-1 孔以及位于物探 1 号和 2 号异常区 附近的 H2-1 孔， 终孔水量分别达到 60、 40 m3/h。 2.3富水性分区结果 综合对比分析物探异常区和钻探揭露水量、 水 压分布情况， 可综合划分工作面顶板富水性[18-19]。 311101 工作面顶板物探与钻探成果对比图如图 2。 通过对比图 2 （a） 与图 2 （b） 可知， 两者之间具有 较好的一致性，根据钻孔实际揭露情况，发现 311101 工作面顶板存在 4 处富水区。 对比疏放水钻孔揭露情况与工作面顶板物探揭 露情况， 可以看到， 在物探非异常区施工的钻孔， 涌 水量及水压力均较小，表明本次物探成果无漏报的 情况； 在物探 1 号、 2 号、 3 号、 4 号、 5 号、 7 号异常区 施工的钻孔，涌水量及水压力均较大，验证效果良 好， 在物探 6 号异常区施工的钻孔， 涌水量及水压力 较小， 验证效果较差， 表明本次物探效果总体较好， 错报率相对较低。 图 1工作面疏放水钻孔涌水量及水压分布图 Fig.1Distribution map of water inflow and water pressure in borehole for drainage on working face 163 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 随着工作面的不断推进，其采空区涌水量曲线 发生着 “阶梯式” 增加变化， 工作面富水异常区与涌 水量明显增长变化节点有着较好的对应关系。工作 面每一区段的富水区基本能够对应涌水量增长的起 步点，而在增长后的一段区域内，水量变化较为稳 定，未有较大突变现象发生。通过前期工程探查和 回采实际对比，可以验证针对此类水害问题选取方 法和手段的可靠性和有效性。 同时， 由工作面涌水情况可以分析， 其煤层顶板 含水层水基本以 “静储量” 为主、 侧向补给的 “动储 量” 为辅，“静储量” 总体有限、“动储量” 补给不足， 造成工作面初次见方后覆岩垮落面积增大，导水断 裂带波及高度加快上升，使得工作面涌水量发生了 较大的升高， 而后覆岩含水层 “静储量” 有所消耗， 同时由于含水层弱富水性， 其补给缓慢， 导致后期水 量稳中有进， 但突变现象不多。 总结分析工作面涌水量变化，可以看到主要由 以下几个较为明显的台阶 1） 工作面回采至 338 m 时， 顶板第 1 次充分垮 落， 导水断裂带发育至最高， 且处于 1 号富水区， 涌 综合对比物探和钻探成果， 311101 工作面顶板 共存在 4 处富水区， 其中， 1 号富水区位于距离工作 面切眼 0～460 m 区域； 2 号富水区位于距离工作面 切眼 860～1 320 m 区域； 3 号富水区位于距离工作 面切眼 1 590～1 950 m 区域； 4 号富水区位于距离 工作面切眼 2 380～2 580 m （停采线） 区域。 3探采对比验证 工作面顶板含水层富水性综合分区结果与实际 开采涌水量对比图如图 3。 图 3工作面顶板含水层富水性综合分区结果与实际开采涌水量对比图 Fig.3Comparison between the results of water-rich comprehensive zoning of the roof aquifer of the working face and the actual water inflow 图 2工作面顶板物探与钻探工程成果对比图 Fig.2Comparison of geophysical exploration and drilling engineering results of working face 164 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 水量由 172 m3/h 增大到 327 m3/h。 2） 工作面回采至 1 031～1 074 m 期间， 进入2 号 富水区， 涌水量由 300 m3/h 增大到 398 m3/h。 3） 工作面回采至 1 805 m 时， 进入 3 号富水区， 涌水量由 404 m3/h 增大到 417 m3/h。 4） 工作面回采至 2 037～2 160 m 时， 进入 4 号 富水区， 涌水量由 426 m3/h 增大到 482 m3/h， 涌水量 达到最大。 最终，矿井 311101 首采工作面涌水量稳定在 490 m3/h， 直至工作面回采结束。 4结论 1） 311101 首采工作面采后形成的覆岩导水断 裂带为主要充水通道， 预计发育高度为 120 m， 矿井 主要充水水源为侏罗系延安组和直罗组砂岩含水层 水， 这 2 层含水层受沉积相控制， 具有分布不连续， 富水性不均一的特点。 2） 采用 “物探先行， 钻探验证” 的思路， 对比物 探异常区分布情况及对应钻孔涌水量及水压力分布 情况， 综合确定划分 311101 首采工作面顶板的 4 个 富水异常区。 3） 矿井 311101 首采工作面在回采过程中， 每经 过 1 处富水异常区时，其工作面涌水量均会出现 1 次 “台阶式” 的增加， 对基于物探和钻探综合划分的 顶板富水区进行了良好的验证。 参考文献 ［1］ 谢和平， 高峰， 鞠杨， 等.深部煤炭资源流态化开采理 论与技术构想 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （3） 547-556. ［2］ 贾建称， 张妙逢， 吴艳.深部煤炭资源安全高效开发地 质保障系统研究 ［J］ .煤田地质与勘探， 2012， 40 （6） 1-7. ［3］ 李文平， 乔伟， 李小琴， 等.深部矿井水害、 评价方法与 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