帶壓開(kāi)采區(qū)超前探目標(biāo)層位綜合確定方法

朱開(kāi)鵬

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710077）

2018 年9 月1 日正式實(shí)施的《煤礦防治水細(xì)則》將煤礦防治水綜合防治措施由“防堵疏排截”擴(kuò)展為“探防堵疏排截監(jiān)”[1]，增加了“探”和“監(jiān)”2 項(xiàng)措施。其中，“探”主要是指地面的水文地質(zhì)調(diào)查、觀測(cè)、勘探及井下水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探、采掘工作面探測(cè)、局部防治水工程勘探等[2]。而采掘工作面探測(cè)是進(jìn)行井下精細(xì)探查的主要手段，即采用超前勘探方法，查明采掘工作面周?chē)w的具體位置和貯存狀態(tài)等情況，為有效地防治礦井水害做好必要的準(zhǔn)備，在水害防治措施中居核心地位和先導(dǎo)作用。超前探放水可以直接揭露并直觀表征采掘工作面前方水體特征，是采掘工作面探測(cè)工作中最直接有效的手段。帶水壓開(kāi)采區(qū)采掘工作面超前探放水工作開(kāi)展之前需要確定鉆孔數(shù)量、結(jié)構(gòu)、超前距、幫距等關(guān)鍵參數(shù)，《煤礦防治水細(xì)則》中給出了相關(guān)規(guī)定和計(jì)算方法，眾多科技工作者在超前探方法方面也開(kāi)展了大量研究[3-8]。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往機(jī)械地照搬計(jì)算公式，而缺乏對(duì)掘進(jìn)頭所處水文地質(zhì)條件的具體分析。其中較為常見(jiàn)的1 類(lèi)問(wèn)題是，在確定超前探鉆孔終孔位置時(shí)，僅依據(jù)圍巖松動(dòng)圈及斯列薩列夫公式的計(jì)算結(jié)果確定終孔垂距，而缺乏對(duì)終孔層位巖性、富水性等水文地質(zhì)條件的具體分析，往往使超前探鉆孔的目標(biāo)層位落在泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等突水表征性相對(duì)較弱的巖層，難以準(zhǔn)確查明底板直接充水含水層的富水性特征、難以判斷其與底板奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)等主要巖溶裂隙含水層之間的水力聯(lián)系，既造成鉆探工程量的浪費(fèi)，又不能滿(mǎn)足防治水工作要求，從而降低了超前探放水工作的經(jīng)濟(jì)性、有效性。為此，以位于華北地臺(tái)鄂爾多斯臺(tái)東北邊緣的準(zhǔn)格爾礦區(qū)為例，闡述帶水壓開(kāi)采區(qū)超前探放水目標(biāo)層位綜合確定方法。

1 準(zhǔn)格爾礦區(qū)帶水壓開(kāi)采概況

準(zhǔn)格爾礦區(qū)位于鄂爾多斯臺(tái)東北邊緣，總體呈東部隆起、西部凹陷、走向近南北、向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀整體平緩，傾角一般小于10°，屬華北型石炭二疊系煤田，探明地質(zhì)儲(chǔ)量約380 億t，目前主采煤層為6 煤，主要充水水源為奧陶紀(jì)-寒武紀(jì)碳酸鹽巖巖溶裂隙水、石炭系-二疊系砂巖孔隙裂隙水、采空區(qū)積水等，其中尤以底板奧灰水威脅最為嚴(yán)重，曾發(fā)生過(guò)斷層導(dǎo)通型奧灰水突水淹井事故，目前區(qū)域奧灰水位標(biāo)高為+870 m 水平，有9 對(duì)生產(chǎn)礦井全部或局部面臨底板奧灰水帶壓開(kāi)采問(wèn)題，6 煤底板帶水壓程度為0～4.5 MPa，帶水壓開(kāi)采情況示意圖如圖1。9 對(duì)礦井的生產(chǎn)能力介于300～1 800 萬(wàn)t/a，年度總產(chǎn)量8 000 萬(wàn)t/a，均為現(xiàn)代化大型礦井。

目前各礦主采的太原組6 號(hào)煤層平均厚度約19.26 m，底板互層發(fā)育有以細(xì)砂巖、粗砂巖為主的薄層砂巖裂隙含水層，及以鐵質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、黏土巖、9 號(hào)煤層等為主的較為穩(wěn)定的隔水層，煤系基底為寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，6 煤底板巖層組合關(guān)系圖如圖2。6 煤與9 煤間、9 煤與奧灰間分別發(fā)育有3.37、12.11 m 厚的粗砂巖層，一般裂隙較為發(fā)育、含水，但富水性弱、補(bǔ)給條件差，超前探放水孔涌水量一般小于20 m3/h，且易于疏干。當(dāng)斷層、陷落柱等垂向?qū)ǖ朗蛊渑c奧灰含水層相連通時(shí)，局部富水性加強(qiáng)、補(bǔ)給充分，鉆孔涌水量可超過(guò)100 m3/h，水頭壓力及水化學(xué)特征與奧灰水接近。所以，2 層砂巖裂隙含水層是帶壓開(kāi)采區(qū)超前探放水鉆孔重點(diǎn)探查層位。

圖1 帶水壓開(kāi)采情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining above aquifer

圖2 6 煤底板巖層組合關(guān)系圖Fig.2 Rock stratum assemblage relation of coal No.6 floor

2 掘進(jìn)工作面底板超前探查目標(biāo)層位

在帶壓開(kāi)采區(qū)進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，需通過(guò)物探、鉆探2 種方法進(jìn)行超前探查，其中鉆探超前探需確定鉆孔數(shù)量、超前距、幫距、終孔層位等關(guān)鍵參數(shù)?，F(xiàn)階段各礦井生產(chǎn)區(qū)域帶壓程度普遍不高，底板帶壓程度小于2 MPa，針對(duì)奧灰含水層的超前探鉆孔一般布置3 個(gè)，超前距不小于20 m，幫距不小于10 m。首先根據(jù)圍巖松動(dòng)圈計(jì)算公式及斯列薩列夫公式分析計(jì)算巷道底板安全隔水層厚度，再結(jié)合底板薄層砂巖裂隙含水層發(fā)育位置，綜合確定超前探放水鉆孔終孔層位。

2.1 巷道圍巖松動(dòng)圈

各礦均為現(xiàn)代化礦井，巷道一般寬5.5 m、高4 m，巷道掘進(jìn)后，應(yīng)力重新分布，巷道周邊圍巖不能承受壓力時(shí)則產(chǎn)生裂隙，并發(fā)生變形位移，形成破裂松動(dòng)圈，根據(jù)巷道圍巖塑性區(qū)計(jì)算公式[9]可計(jì)算巷道松動(dòng)圈厚度確定：

式中：R 為圍巖塑性帶半徑，m；r0為圓形巷道半徑，取3.4 m；p 為原巖應(yīng)力，取12 MN/m2；C 為圍巖黏聚力，取1.36 MPa；φ 為圍巖內(nèi)摩擦角，取40°；pi為支護(hù)阻力，取0 N。

終孔垂距示意圖如圖3。

圖3 終孔垂距示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical height of hole bottom

經(jīng)計(jì)算，圍巖塑性帶半徑R 為4.6 m，由于巷道斷面為矩形，巷高4 m，則h1為2 m。所以松動(dòng)圈底界面深度h2應(yīng)為：

式中：h1為巷道形心高度，m；h2為巷道底板松動(dòng)圈最大深度，m。

計(jì)算可得巷道松動(dòng)圈底界面位于巷道底板下2.6 m。

2.2 底板安全隔水層厚度

底板安全隔水層厚度即巷道底板在受到承壓水作用下，能夠起到抵抗底板水頭壓力的有效隔水層的厚度?，F(xiàn)階段各礦巷道掘進(jìn)期間底板隔水層承受的最大水壓力約為2.0 MPa，根據(jù)斯列薩列夫公式[10]可計(jì)算煤層底板安全隔水層厚度t：

式中：t 為安全隔水層厚度，m；L 為巷道底板寬度，5.5 m；ρ 為底板隔水層的密度，2.7 t/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，1.54 MPa；p 為底板隔水層承受的水頭壓力，2.0 MPa。

經(jīng)計(jì)算，巷道掘進(jìn)期間底板隔水層安全厚度t 為4.3 m，由于巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)圈，松動(dòng)圈范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，已經(jīng)喪失隔水能力。所以，巷道超前探終孔層位深度H 應(yīng)為h2與t 之和，即巷道超前探鉆孔終孔深度應(yīng)不小于6.9 m。

2.3 超前探查層位綜合確定

計(jì)算結(jié)果顯示，現(xiàn)階段準(zhǔn)格爾煤田各礦井在帶壓區(qū)進(jìn)行巷道超前探時(shí)，超前探查層位設(shè)計(jì)在巷道底板6.9 m 以深即可，但該層位仍為底板泥巖、砂質(zhì)泥巖段，孔口套管將坐在抗壓能力較小、質(zhì)軟、易碎的弱膠結(jié)巖層段，甚至松動(dòng)圈內(nèi)，一旦揭露強(qiáng)富水區(qū)，難以保證鉆孔安全；終孔垂距較小，難以排除小型斷層或破碎帶對(duì)探查結(jié)果的影響。

所以，為使超前探鉆孔能夠更全面地反應(yīng)底板充水含水層的水文地質(zhì)信息，特別是探查底板奧灰含水層水是否已通過(guò)斷層、陷落柱等垂向?qū)ǖ缹?dǎo)升至煤層底板，需將巷道掘進(jìn)期間超前探鉆孔終孔層位設(shè)計(jì)在6 煤與9 煤間的薄層砂巖裂隙含水層。由于地層沉積厚度具有差異性，為確保鉆孔施工至準(zhǔn)確層位，不可簡(jiǎn)單的設(shè)定1 個(gè)固定超前探鉆孔垂距，還需結(jié)合已有地質(zhì)鉆孔資料確定巷道不同位置的超前探放水鉆孔終孔垂距。

某礦61202 工作面運(yùn)輸巷超前探放水鉆孔設(shè)計(jì)終孔層位由巷道底板下8 m 調(diào)整至15 m，鉆進(jìn)至6煤與9 煤之間的粗粒砂巖層終孔，單孔涌水量達(dá)到78.9 m3/h，通過(guò)水壓觀測(cè)及水化學(xué)測(cè)試，判斷鉆孔涌水為奧灰水，準(zhǔn)確探查到前方65 m 處存在奧灰水導(dǎo)升富水區(qū)。通過(guò)后續(xù)專(zhuān)項(xiàng)探查工程查明該處發(fā)育有隱伏陷落柱，成功避免了水害事故。所以，6 煤巷道在底板奧灰水帶壓區(qū)掘進(jìn)時(shí)，超前鉆探工程以6煤與9 煤間薄層砂巖含水層為目標(biāo)層是合理的。

3 回采工作面底板富水異常區(qū)探查目標(biāo)層

帶壓開(kāi)采區(qū)工作面涌水的充水通道主要是斷層、陷落柱、裂隙發(fā)育帶、底板采動(dòng)破壞帶等，斷層、陷落柱、裂隙發(fā)育帶形成于地質(zhì)時(shí)期，屬于自然類(lèi)導(dǎo)水通道，受采礦活動(dòng)會(huì)發(fā)生部分活化，但位置、產(chǎn)狀等屬性不受人類(lèi)活動(dòng)影響而變化，屬于相對(duì)靜態(tài)導(dǎo)水通道，勘探階段進(jìn)行了一定程度的探查工作后一般可提前采取有針對(duì)性的防治水措施；底板采動(dòng)破壞帶屬于因采礦活動(dòng)擾動(dòng)產(chǎn)生的人為導(dǎo)水通道，受煤層采厚、工作面尺寸、開(kāi)采工藝、底板巖性組合、地應(yīng)力、水壓力等多種因素影響，且隨著工作面回采動(dòng)態(tài)變化，往往容易導(dǎo)通底板富水異常區(qū)、隱伏導(dǎo)水陷落柱、底板裂隙發(fā)育帶等，需在回采前通過(guò)理論公式或者參考實(shí)測(cè)成果進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)，是進(jìn)行帶壓區(qū)工作面回采前確定物探、鉆探等防治水設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，探查驗(yàn)證范圍需覆蓋底板采動(dòng)破壞帶。

準(zhǔn)格爾礦區(qū)帶壓開(kāi)采區(qū)域的井工礦全部屬于生產(chǎn)規(guī)模較大的現(xiàn)代化礦井，采用大采高、大工作面的綜合機(jī)械化開(kāi)采工作，工作面斜長(zhǎng)一般在240 m左右，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式[11]可計(jì)算工作面回采后底板采動(dòng)破壞帶可達(dá)26.6 m 左右。

式中：hd為底板采動(dòng)破壞帶，m；l 為工作面斜長(zhǎng)，m。

此外，礦區(qū)內(nèi)部分礦井已經(jīng)開(kāi)展了底板采動(dòng)破壞帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，取得了更為準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)結(jié)果。如不連溝礦、酸刺溝礦、黃玉川礦通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)、FLAC3D數(shù)值模擬、理論計(jì)算等手段研究得到底板采動(dòng)破壞帶最大發(fā)育深度可達(dá)34.9 m，底板采動(dòng)破壞帶實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1，大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，有力地指導(dǎo)了帶壓開(kāi)采防治水工作。

表1 底板采動(dòng)破壞帶實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of measured results of floor mining failure zone

煤層底板下35 m 左右基本處于9 煤與奧灰間粗砂巖層，該巖層正常情況下富水性較弱，補(bǔ)給不充分，但是在與奧灰含水層存在水力聯(lián)系的塊段，富水性明顯加強(qiáng)，且補(bǔ)給充分。如位于煤田北部的某礦在進(jìn)行第5 個(gè)工作面底板奧灰水富水性探查時(shí)，鉆孔鉆進(jìn)至9 煤與奧灰間粗砂巖層時(shí)即發(fā)生涌水，探得該處奧灰水存在導(dǎo)升現(xiàn)象，及時(shí)采取防治水措施避免了突水事故。所以，準(zhǔn)格爾煤田帶壓區(qū)工作面回采前底板富水異常區(qū)探查層位應(yīng)設(shè)計(jì)在9 煤與奧灰間粗砂巖層。

4 超前探放水層位綜合確定

為達(dá)到理想的探放水效果，準(zhǔn)格爾煤田各礦井在帶壓區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，掘進(jìn)工作面探放水目標(biāo)層為6 煤與9 煤間薄層砂巖裂隙含水層，回采工作面探放水目標(biāo)層為9 煤與奧灰間砂巖裂隙含水層，分別為目標(biāo)層1、目標(biāo)層2，超前探放水目標(biāo)層位示意圖如圖4。

圖4 超前探放水目標(biāo)層位示意圖Fig.4 Schematic diagram of target strata in pilot detection

5 結(jié) 論

1）6 煤工作面巷道圍巖塑性帶半徑約4.6 m、底板安全隔水層厚度4.3 m，計(jì)算出的巷道超前探終孔層位與巷道底板的間距為6.9 m 即可，而該層位為泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水層，不能準(zhǔn)確反映帶壓開(kāi)采水文地質(zhì)條件；具有指標(biāo)性的層位為底板下平均約15.7 m 的粗粒砂巖層，掘進(jìn)工作面超前探放水鉆孔鉆進(jìn)至該層位，方能探明底板帶壓開(kāi)采水文地質(zhì)條件，起到巷道掘進(jìn)階段超前探放水作用，即6 煤與9 煤間的粗粒砂巖層是準(zhǔn)格爾礦區(qū)6 煤帶壓開(kāi)采區(qū)掘進(jìn)工作面超前探鉆孔第1 目標(biāo)層。

2）6 煤工作面回采后底板采動(dòng)破壞帶深度可達(dá)35 m，可波及9 煤與奧灰間厚層粗砂巖，回采前超前探放水鉆孔目標(biāo)層位應(yīng)為9 煤與奧灰間粗砂巖層，以判斷奧灰含水層是否有導(dǎo)升現(xiàn)象，方能指導(dǎo)采前帶壓開(kāi)采防治水工作，即9 煤與奧灰間的粗粒砂巖層為準(zhǔn)格爾礦區(qū)6 煤帶壓開(kāi)采區(qū)回采工作面超前探第2 目標(biāo)層。

3）由于準(zhǔn)格爾礦區(qū)處于鄂爾多斯盆地東北邊緣，各地層受風(fēng)化剝蝕作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用強(qiáng)烈，沉積厚度不均一性強(qiáng)烈、褶皺較為發(fā)育，所以6 煤與底板2 層粗砂巖間距需根據(jù)超前探位置附近地質(zhì)鉆孔資料確定。