基于透明地質的唐家會煤礦奧灰水防治技術

高耀全 ，高銀貴 ，陸自清 ，孔皖軍

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；3.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

奧陶系灰巖（簡稱奧灰）水害一直是困擾石炭-二疊系煤層開采的主要水害問題。富水性不均勻，局部區域斷層、陷落柱發育，導致探查治理工程復雜。目前，巷道掘進過程中和工作面回采前，一般采用瞬變電磁法[1]、音頻電透視[2]、槽波地震[3]、坑透[4]等物探手段對地層含水情況、隱伏構造發育進行探查，超前鉆探[5]的方式進行驗證，使用地面或井下區域治理的方式[6-10]，對煤層底板隔水層進行改造和加固，采用突水系數法等進行奧灰突水危險性評價。工作面回采過程中，一般使用微震監測[11-12]手段監測頂底板巖石破裂或流體擾動情況。這種物探探查、鉆探驗證、井上下聯合治理的方式基本保證了煤層的安全帶壓開采。但由于技術與裝備水平參差不齊，技術方案因人而變，對導水構造的形態、富水性探查不夠精確，存在點線面體不連貫、數據信息不透明的問題；治理工程實施過程中，對治理效果的評價缺乏有效的檢測手段，存在差異大、浪費多、局部區域效果差等問題；回采過程中，對底板隔水層富水情況的監測不足，與采掘動態的適應性不夠，決策判斷不及時，智能化程度不夠。

2021 年，國家能源局和國家礦山安全監察局聯合印發《煤礦智能化建設指南（2021 版）》，隨著煤礦智能化建設的步伐加快，智能地質保障系統的建設也逐步開展，基本實現了礦井地質數據的采集、儲存、處理、分析和顯示[13-16]。

智能地質保障的前提是地質條件透明，水害防治智能化是地質透明的主要任務之一。筆者通過融合礦井歷史勘探數據、動態采掘數據和實時監測數據，構建三維地質模型；縷清歷史水文地質資料，接入水害探查、治理、監測數據，對礦井采掘過程中可能存在的斷層、隱伏構造、富水異常體等作出及時預判，再配合治理工程，可保障安全生產。

1 全時空水害防治技術體系

內蒙古唐家會煤礦位于鄂爾多斯盆地寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統天橋泉域的西北部，井田內含水層主要為第四系松散層潛水含水層、白堊系下統志丹群孔隙裂隙承壓含水層、石炭-二疊系碎屑巖類承壓含水層和奧陶系石灰巖巖溶承壓含水層。其中，對礦井安全生產威脅最大的是奧灰含水層，水位高程869.65～879.57 m，單位涌水量0.026 4～2.288 2 L/（m·s），富水性不均一。礦井主采太原組6 煤，平均煤厚16 m，底板隔水層厚33.69～88.79 m，6 煤最大帶壓為1.21 MPa，突水系數為0.012 8～0.034 2 MPa/m，在底板完整情況下，奧灰水一般不會對煤系產生補給。但井田范圍內斷層較為發育，落差大于5 m 的斷層較多，可能發育導水陷落柱或斷層，奧灰水可通過導水陷落柱或斷層等直接進入礦井，成為直接充水水源；同時，奧灰水還可通過斷層等補給石炭系砂巖層再進入礦井，成為間接充水水源。

唐家會煤礦奧灰水防治的重點和難點是對隱伏導水通道的精準探查和治理。經過不斷的探索和實踐，唐家會煤礦形成了符合礦井實際的一套全時空水害防治體系（圖1）：構建透明礦井基礎平臺，實現各類地質、水文地質資料、治理工程、采掘工程的數據化、平臺化，有效解決點線面體不連貫、數據不透明、治理效果差異大、決策判斷不及時等問題，保障防治水工作的實時、精準、可視化。融合各類地質數據構建基礎地質模型；采用井上下聯合探查、治理的方式，輔以孔中瞬變電磁法[17]對異常區域進行精準探查并治理；利用異常區兩側鉆孔布置孔間電阻率監測系統，實現注漿全過程的漿液擴散范圍和凝固情況的動態監測，有效檢驗注漿效果，并為鉆孔的布置提供物探依據；應用微震和電阻率聯合監測的新模式，實現頂底板破碎發育情況和富水異常變化情況的監測，通過其與有效隔水層的位置關系判斷突水危險性，為突水預測預報[18-19]提供數據基礎。同時，探查、治理、檢測、監測數據實時更新至透明地質模型，為下一步的防治水工作提供依據。

2 透明地質模型構建

透明地質，主要有2 層含義，首先針對物探、鉆探控制和采掘工程揭露的已知地質體建模，做到地質體可視；其次針對未采掘區域，利用鉆探、物探手段實時精細探查，實現地質預測預報。當其應用于奧灰水害防治時，主要是3 個方面：一是在已有資料的基礎上，實現各類充水因素的可視化；二是實現水害治理過程中治理進度的管理、治理效果的檢測；三是采掘過程中，通過使用先進手段實現開采擾動范圍內的應力、破碎、富水異常等的監測預警。

經過長期的地質、水文地質工作，唐家會煤礦積累了大量鉆探、物探、采掘、觀測資料，包括預查、普查、詳查、勘探期間的鉆孔98 個，地球物理測井鉆孔75 個，地形地質及水文地質測量32 km2、6 煤底板區域治理過程中獲得的水文地質參數，高密度三維地震、槽波地震、音頻電透視數據體，水文觀測記錄，礦井涌水量統計，采空區積水調查，抽水試驗資料，超前探和井巷工程采掘揭露等大量數據。根據當前采掘工程的分布，按照需求的不同，構建透明地質基礎模型，數據來源見表1，模型如圖2 所示。

表1 建模數據來源Table 1 Modeling data source

圖2 唐家會煤礦水文地質模型Fig.2 Hydrogeological model of Tangjiahui Coal Mine

多種建模手段的使用，將設備、構筑物、地層、斷層、井巷工程、采空區、含水層、富水異常區、積水區、出水點、含水層水位等信息，準確映射到三維模型上[20-21]。同時，為方便查閱和使用，針對性地設計圖層管理、任意剖切、空間測繪、圖紙輸出等功能。隨著采掘工程的深入，各類探測、監測、揭露信息逐漸增多，通過數據的融合，模型的更新，地質模型精確度逐漸提高，更有利于指導安全采掘。

奧灰水為影響礦井采掘的主要災害問題，地質模型構建后，顯示與奧灰水相關圖層，顯而易見，DF1、DF2 兩個斷層將礦井分割為3 大塊（圖2），影響了礦井開拓布局。根據以往地質資料，井田內斷層多為張性斷裂，且不少由奧灰切割至4 煤，具有一定的導水性，部分區域存在水文地質異常體，增加了防治水工作難度。礦井一盤區西翼的61302 工作面為當前掘進工作面，61304 工作面為回采工作面，奧灰含水層為其主要充水水源，煤層底板高密度三維地震解釋異常區為奧灰水防治重點區域（圖3）。

圖3 2 個工作面水文地質模型Fig.3 Hydrogeological model of two working faces

3 水害防治路線

3.1 水害隱患探查治理

根據高密度三維地震解釋成果，井田內發育異常區多個，富水性未知。在井筒掘進揭露斷層時發生突水一次，最大突水量達500 m3/h，水質分析表明為斷層破碎帶導通的奧灰水。6 煤距奧灰間距平均50 m，灰巖含水層富水性強，對隱伏構造和異常體的控制及探查是奧灰水防治的基礎。

3.1.1 井下區域治理

61304 工作面位于61303 工作面南側，工作面范圍內煤層采高平均15.1 m。采前三維地震勘探結果顯示，在工作面切眼附近6 煤底板下部存在異常區域，初步解釋為DF29 斷層。61303 工作面形成后，唐家會煤礦利用61303 工作面運輸巷道，按40 m 間距沿工作面底板順層布設定向長鉆孔，對61304 工作面進行超前底板探查與治理工程（圖4），層位為6 煤底板下35～45 m。

圖4 井下定向鉆孔對工作面的探查治理Fig.4 Underground directional drilling for working face exploration management

施工過程中，ZL10 孔組的ZL10-2-2 孔施工中出現3 段空推地質異常，空推處水量突變，終孔時孔內沖出較大巖塊。水文異常表現為水壓、出水量、水質3個方面：①水壓方面，ZL10-2、ZL10-2-1、ZL10-2-2 三個孔的孔口壓力分別為0.9、1.0 和0.7 MPa，與該區域內井下奧陶系灰巖巖溶水壓力一致；② 出水量方面，ZL10-2 孔、ZL10-2-1 孔、ZL10-2-2 孔的終孔出水量分別為5.7、14.0、60.0 m3/h，3 孔出水量均大于9 下煤砂巖層位中施工鉆孔的正常涌水量（一般小于5 m3/h）；經水質化驗，3 個鉆孔出水明顯為奧灰水。

3.1.2 三維地震重新解釋

為查明3 個鉆孔大水量原因及異常區的準確位置，結合初步探查成果對該區重新進行地面三維地震精細解釋工作發現，61304 工作面存在地質異常區（編號Y6），Y6 向南延伸到61305 工作面內（圖5），表明6 號煤后續開采工作面受奧灰水的威脅極大。

圖5 Y6 異常區模型俯視圖Fig.5 Top view of the Y6 anomaly model

3.1.3 地面靶向治理

為保證工作面安全回采，唐家會煤礦開展61304工作面Y6 異常區地面治理工程項目，累計完成1 個主孔、9 個分支孔，空間內精準穿過Y6 異常區，主體層位為奧灰頂界面以下10～20 m（圖6、圖7），鉆探工程量4 784.13 m，共進行壓水試驗18 次、高壓注漿18 次，累計注入水泥及粉煤灰漿液19 762 m3，共注入水泥及粉煤灰6 664 t。通過地面工程的實施，發現DY1-2 分支孔在孔深890～910 m 處，隨鉆伽瑪錄井自然伽瑪值高異常（117.10～167.11 API，平均138.41 API），DY1-4 分支991.56～997.97 m 鉆井液全泵量漏失，處于異常區位置，通過注漿治理效果分析與評價，可以看出Y6 異常區奧灰地層微裂隙發育且不均衡，呈各向異性。雖然對異常區進行了注漿加固，但根據經驗，漿液多沿巖溶裂隙方向擴散，擴散范圍有限，而且是非均勻的向四周擴散，需要在漏失段附近驗證注漿效果。

圖6 異常區地面治理工程平面布置Fig.6 Plane layout of ground treatment works in abnormal areas

圖7 異常區地面治理三維圖Fig.7 3D map of ground treatment in anomaly areas

3.2 注漿治理效果驗證

3.2.1 鉆探驗證

61304 工作面形成后，針對Y6 異常區，在6 煤底板下35～45 m 先后施工了1-1 號、3 號、4 號、1 號、3-1 號、3-2 號共6 個底板探查驗證定向孔，其中1 號孔終孔出水量最大，為21 m3/h，3-1 號孔水壓最大，為0.35 MPa。經過實施地面治理工程，Y6 異常區無論從出水量還是水壓上，均有顯著減小（圖8）。

圖8 井下鉆探探查Fig.8 Underground drilling exploration

3.2.2 孔中瞬變電磁精細驗證

為精準探查1 號孔情況，利用孔中瞬變電磁裝置對1 號孔周邊進行瞬變電磁精準勘探，結果顯示，1 號孔在Y6 異常區范圍內仍存在小范圍低阻異常（圖9）。

圖9 井下精細探查三維圖Fig.9 3D map of underground fine exploration

3.2.3 補充注漿及孔間電阻率檢測

孔中瞬變電磁完成后，利用6 個底板探查孔對該區域進行補充注漿。同時，利用1 號孔和4 號孔，借助孔內布設的電極，對2 孔之間其余鉆孔注漿的漿液擴散情況和凝固時間進行孔間電阻率檢測。電阻率成果顯示，漿液主要擴散范圍集中于3-1 號鉆孔中部，低阻區范圍呈小-大-小-無的趨勢，反映漿液擴散的基本規律。注漿結束后，經過1 個月水分析出、凝固，低阻異常消失，整個區域呈高阻形態，注漿效果良好（圖10）。

圖10 注漿效果檢測Fig.10 Grouting effect detection

通過鉆探、物探聯合探查治理，實現了Y6 異常區的全方位治理，形成有效隔水層，截至2021 年12 月1 日，工作面已安全通過該區域，回采退尺1 400 m。

3.3 奧灰水害監測預警

唐家會煤礦采用綜采放頂煤開采工藝，6 號煤底板巖性主要為灰黑色、深灰色砂質泥巖、泥巖、灰白色粗粒砂巖夾細粒砂巖、泥灰巖及粉砂巖等，煤層底板平均抗壓強度31.1 MPa，抗拉強度1.03～2.58 MPa，屬于中硬底板。工作面回采時，煤層底板巖層所承受的壓力超過其抗壓強度極限時，便發生底鼓變形，底鼓部位及周圍產生相互穿插的層向裂隙和豎向裂隙。根據在61101、61103、61201 工作面施工的下三帶破壞試驗結果，底板破壞深度最大為15 m，最大擾動影響深度為32 m，深度到達9 煤底板泥巖或砂質泥巖層段。6 煤至奧灰頂部平均間距50 m，一般情況下不會直接導通奧灰含水層，若底板局部變薄或破壞帶、構造、導升帶等薄弱帶連為一體時，也有發生突水的可能。因此，在日常的奧灰水防治工作中，對底板隔水層的動態監測非常有必要。

3.3.1 底板破壞深度微震監測

回采擾動工作面底板發生底鼓和破裂，微震事件是導水裂隙形成的前兆信息。在工作面兩巷布置微震傳感器，應用循環神經網絡（RNN）方法，實現P 波到時智能拾取，動態接收微震事件，空間定位其發生位置，能量大小判斷其破壞規模。通過大量微震事件的收集，可判斷導水通道的形成、發展和演變規律。61304 工作面已回采1 200 m，共監測到微震事件77 986 個，日均308 個。微震事件平面上主要分布在回采工作面采線前后150 m 范圍，垂向上頂板事件主要集中在4 煤至6 煤底，底板事件主要集中在6 號煤底板0～30 m 范圍內（圖11），與下三帶破壞試驗結果基本一致。

圖11 微震事件俯視圖Fig.11 Top view of the microseismic events

提取工作面精細地質模型中煤層厚度、底板等高線、奧灰等水位線、奧灰頂界面，利用突水系數法反算有效隔水層厚度，構建有效隔水層頂界面，即微震破碎事件最低界面，若微震事件突破該界面，則有發生突水的可能（圖12）。

圖12 微震事件與有效隔水層頂界面、奧灰頂面空間關系三維視圖Fig.12 3D view of spatial relationship among microseismic events and top layer of effective barrier and top surface of Ordovician limestone

3.3.2 底板水導升高度電法監測

依前文所述，電阻率監測已被唐家會煤礦用于注漿效果檢測。根據前人研究，當其被用于探測地層富水性時，效果也較好[22]。在工作面兩巷施工底板定向長鉆孔，鉆孔層位為煤層底板下30 m，成孔并注漿掃孔后，在孔內下入電纜和電極，利用孔間電阻率監測，實時監測工作面回采全過程中的底板富水性變化（圖13）。

圖13 孔間電阻率監測Fig.13 Borehole resistivity monitoring

3.3.3 透明化水害監測預警平臺

通過智能地質保障系統的建設，集成各類靜態數據和動態數據，構建全礦井地質、水文、采掘、設備的模型，且可實現各類監測成果的實時三維平臺顯示，形成單源數據異常的預測預報體系，建成水害風險駕駛艙，推送預警信息。

當前預警平臺的建設尚不完善，應充分利用動態監測數據、水文地質分析、大數據分析等技術，打通數據孤島，進一步挖掘數據的潛在價值[23]。對于采動前方的預警，應參考隨采地震探測數據，若發現地質異常，則實施鉆探工程進行驗證、治理。對于采動區域的預警，應從充水水源和充水通道2 個重點出發，利用突水系數法反算煤層有效隔水層厚度，建立數字模型；動態收集微震事件空間位置、采動前方探測數據、低阻區域變化情況；結合水文觀測數據，總結水位變化規律。若出現微震事件突破最低界面、低阻區域變化明顯、奧灰水位波動異常時，即形成奧灰突水條件（圖14）。通過微震事件判斷出水可能的范圍，由低阻區域變化判斷出水可能的時間，結合水位變化判斷出水可能的規模，并協同決策系統，模擬生成最快避災路線，是實現水害預警的一種思路。

圖14 水害預測預報三維視圖Fig.14 3D view of the forecast for coal mine water hazard

4 結 論

a.唐家會煤礦采用井上下聯合治理-重點區域精細探測-注漿效果檢測-回采監測-預報預警的奧灰水防治模式，通過地質保障系統的構建，實現防治水全過程的精準、可視。

b.先進物探裝備與技術的使用，實現物探數據實時上傳、物探成果實時顯示，提高防治水的時效性。孔中瞬變電磁使探測裝備能夠直接抵近目標區域，避免巷道異物影響，擴大探測范圍，提高探測精度，一孔多用，實現了重點區域的精準鉆探、物探聯合探查；孔間電阻率完成對治理區域的注漿效果動態檢測和采動區域地下水體運移狀態的實時監測；微震監測對采動過程中頂底板應力異常和破碎情況進行監測。

c.預警平臺的建設主要為單源數據異常的分析預警，對于靜態數據和動態數據的融合尚有不足。提出從水源和通道2 方面出發，合理利用智能地質保障系統和先進物探技術，通過監測地下水運移、構造發育、擾動破壞等充水因素，實現對水害預測預報的思路。