張廣生 耿燕文
(山東能源臨礦集團(tuán)邱集煤礦,山東 德州 251105)
邱集煤礦11 煤受頂?shù)装咫p重灰?guī)r水害威脅,使用“地面順層水平定向鉆探+高壓注漿技術(shù)”進(jìn)行含水層超前區(qū)域治理,將頂板四五灰改造為不含水層,底板徐灰改造為隔水層。工作面回采前常用的探測(cè)方法有直流電法探測(cè)、瞬變電磁法和鉆探等方式。本文以邱集煤礦1103 工作面為工程背景,使用直流電法、瞬變電磁法對(duì)底板巖層進(jìn)行探測(cè)[1-6],確保工作面安全開(kāi)采,并通過(guò)鉆探進(jìn)行復(fù)查,驗(yàn)證物探效果,為1103 工作面的開(kāi)采提供了保障。
1103 工作面東鄰1101 工作面(已回采),西側(cè)為1105 工作面。工作面長(zhǎng)100 m,順槽長(zhǎng)度672~687 m,可采儲(chǔ)量18.5 萬(wàn)t。工作面標(biāo)高:-341~-408 m,地面為平坦的基本農(nóng)田,無(wú)建筑物,工作面具體位置如圖1。工作面直接頂板為四五灰含水層,平均厚度9.25 m,富水性中等,是開(kāi)采11 煤的直接充水含水層;底板為徐灰、奧灰含水層,巖溶裂隙發(fā)育,水量補(bǔ)給量充沛,難以疏干。徐灰含水層平均厚度9.81 m,富水性中等至強(qiáng),上距11煤平均35.52 m。奧灰厚度大于700 m,富水性弱至強(qiáng),上距11 煤平均58.86 m,是開(kāi)采11 煤的間接充水含水層。
圖1 邱集煤礦1103 工作面平面位置圖
1103 工作面位于一采區(qū)首采塊段治理區(qū)域,首采塊段11 煤頂板四五灰、底板徐灰采用地面區(qū)域治理改造,工程于2016 年~2018 年施工并由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行治理效果評(píng)價(jià)。經(jīng)評(píng)價(jià),頂板四五灰、底板徐灰含水層采用地面區(qū)域注漿治理改造效果良好,奧灰含水層突水系數(shù)滿足《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定。
1103 工作面順槽掘進(jìn)期間首先采用瞬變電磁法對(duì)頂板四五灰、底板徐灰注漿治理效果進(jìn)行初步驗(yàn)證,未發(fā)現(xiàn)低阻異常。按照《煤礦防治水細(xì)則》要求,針對(duì)底板水的防治,工作面回采前應(yīng)同時(shí)采用物探、鉆探方法進(jìn)行效果驗(yàn)證。
一采區(qū)底板徐灰?guī)r層,地面區(qū)域治理沿地層傾向(沿南西-北東向)進(jìn)行探查,而后注漿。徐灰含水層靜水壓為3.35~4.4 MPa,注漿終壓不應(yīng)小于8.8 MPa,漿液擴(kuò)散半徑約40 m。
徐灰注漿終壓不得小于徐灰?guī)r溶含水層靜水壓力的1.5~2 倍,終壓不小于8.8 MPa,認(rèn)為注漿效果合格。為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),按照終壓將注漿效果分為三個(gè)級(jí)別:達(dá)標(biāo)區(qū)(終壓≥10 MPa),合格區(qū)(8.8 MPa ≤終壓<10 MPa),相對(duì)薄弱區(qū)(終壓<8.8 MPa)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),1103 工作面共計(jì)注漿44 次,累計(jì)注漿量37 105 t,終壓6.5~12.0 MPa,其中合格區(qū)(終壓>8.8 MPa)38 次,薄弱區(qū)6 次。
按照標(biāo)準(zhǔn),繪制了徐灰治理注漿效果評(píng)價(jià)圖,如圖2。1103 工作面回采范圍內(nèi)98%的面積處在區(qū)域注漿改造的合格區(qū)和達(dá)標(biāo)區(qū)范圍內(nèi)。對(duì)于薄弱區(qū)域,井巷工程前必須進(jìn)行物探、鉆探探查及注漿改造,開(kāi)采前進(jìn)行了井下局部注漿加固。
圖2 徐灰注漿治理效果分區(qū)圖
2019 年9 月21 日至10 月25 日采用直流電法與瞬變電磁法對(duì)1103 工作面底板方向巖層進(jìn)行物探探測(cè)。
根據(jù)視電阻率低阻異常分布特征及現(xiàn)有地質(zhì)水文資料綜合分析,認(rèn)為1103 工作面底板含水層富水性具如下特征:
推斷4 處徐灰可能的富水區(qū):X1 ~X4(圖3)。X1、X2 位于工作面南部,靠近1101 軌道順槽一側(cè);X3 位于工作面北部,靠近1101 軌道順槽一側(cè);X4位于工作面北部,靠近1103 軌道順槽一側(cè)。其中,X2、X4 分布范圍較大。
圖3 1103 工作面礦井電法探測(cè)推斷成果圖
根據(jù)探測(cè)成果推斷5 處奧灰可能的富水區(qū)域:A1~A5(圖3)。A1、A2、A3 位于工作面南部,靠近1101 工作面軌順一側(cè);A4 位于工作面北部,靠近1101 軌順一側(cè);A5 位于工作面北部,靠近1103 軌順一側(cè)。推斷徐灰可能的富水區(qū)X1、X2、X4 范圍內(nèi)的徐灰存在與奧灰發(fā)生水力聯(lián)系的可能性。X2、A3 所在低阻異常區(qū)分布范圍大,視電阻率幅值低,徐灰、奧灰富水性較好,徐灰、奧灰水力聯(lián)系密切。異常范圍內(nèi)含水層存在與工作面底板之間發(fā)生水力聯(lián)系的可能性。
推斷徐灰、奧灰富水區(qū)位于工作面北部和南部,大部分靠近1101 軌道順槽一側(cè)。工作面中部徐灰、奧灰含水層富水性較弱。
瞬變電磁探測(cè)于2019 年10 月15 日完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作,10 月25 日完成了資料處理及報(bào)告編寫工作。分析結(jié)果如下:
(1)30°(頂)方向異常區(qū)4 處
① A1 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍中等,施工時(shí)巷道2#~3#點(diǎn)存在鉆機(jī)、鉆桿,推斷此處局部煤巖層存在富水性差的可能性較大(如圖4所示)。② A2 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍弱,推斷此處為局部煤巖層存在富水性差異的可能性較大。③ A3 相對(duì)低阻異常區(qū)為單點(diǎn)異常予以排除。④ A4 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍中等,施工時(shí)巷道存在托輥堆、鐵鏈堆、80 開(kāi)關(guān)、鉆桿、底板軌道等影響,推斷此處為環(huán)境干擾引起的可能性較大,為單點(diǎn)異常予以排除。
(2)0°方向異常區(qū)2 處
① B1 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍中等,推斷此處為局部煤巖層存在富水性差異的可能性較大(如圖4)。② B2 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍較弱,施工時(shí)巷道存在托輥堆、鐵鏈堆、80 開(kāi)關(guān)、絞車等影響,推斷此處為環(huán)境干擾引起可能性較大,為單點(diǎn)異常予以排除。
(3)-40°(底)方向異常區(qū)2 處
① C1 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍弱,推斷此處為局部煤巖層存在富水性差異的可能性較大(如圖4)。② C2 相對(duì)低阻異常區(qū)。此處低阻異常范圍中等,施工時(shí)巷道存在托輥堆、鐵鏈堆等影響,推斷此處為環(huán)境干擾引起的可能性較大,為單點(diǎn)異常予以排除。
圖4 相對(duì)低阻異常區(qū)分布圖
根據(jù)電法異常分布情況,在1103 膠帶順槽鉆機(jī)房?jī)?nèi)共施工探查鉆孔10 個(gè),見(jiàn)表1。其中鉆孔探A1 異常區(qū)處水量20 m3/h,其他9 個(gè)鉆孔揭露異常區(qū)巖層水量均小于10 m3/h。經(jīng)鉆探驗(yàn)證物探分析異常區(qū)富水性弱。
表1 直流電法探測(cè)成果鉆探驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表
根據(jù)鉆孔揭露徐、奧灰含水層處水壓數(shù)據(jù),對(duì)物探異常區(qū)突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)公式:T=P/M。T為突水系數(shù),MPa/m;P為底板隔水層承受的水壓,MPa;M為隔水層厚度平均值,徐灰取35.52 m,奧灰取58.86 m。突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 直流電法探測(cè)異常區(qū)含水層突水系數(shù)計(jì)算表
1103 工作面瞬變電磁探測(cè)共劃分相對(duì)富水異常區(qū)3 處。其中A1 異常區(qū)靠近1101 工作面?zhèn)?,并且工作面已安全推采,未發(fā)生頂板淋水,此處異常排除富水的情況。根據(jù)對(duì)A2、B1、C1 三處異常區(qū)探查情況(見(jiàn)表3),確定瞬變電磁探測(cè)異常區(qū)富水性差,對(duì)工作面回采無(wú)影響。
表3 瞬變電磁探測(cè)成果鉆探驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表
(1)1103 工作面底板灰?guī)r含水層為徐灰、奧灰。徐灰平均厚度9.81 m,巖溶裂隙發(fā)育,水量補(bǔ)給量充沛,難以疏干,上距11 煤平均35.52 m,屬于開(kāi)采11 煤的間接充水含水層。雖然經(jīng)過(guò)注漿治理,但為了保證安全必須對(duì)其治理效果進(jìn)行檢測(cè)。
(2)電法探測(cè)推斷徐灰、奧灰富水區(qū)位于工作面北部和南部,大部分靠近1101 軌道順槽一側(cè)。工作面中部徐灰、奧灰含水層富水性較弱。
(3)瞬變電磁探測(cè)結(jié)果可見(jiàn)A1 相對(duì)低阻異常區(qū),綜合分析相對(duì)富水性評(píng)價(jià)為中等;A2、B1 相對(duì)低阻異常區(qū),測(cè)線120~260 m 范圍,該區(qū)域范圍中等,命名為Ⅱ號(hào)相對(duì)富水異常區(qū),綜合分析相對(duì)富水性評(píng)價(jià)為中等;C1 相對(duì)低阻異常區(qū),綜合分析相對(duì)富水性評(píng)價(jià)為弱等。
(4)根據(jù)物探異常區(qū)分布范圍處煤巖層條件,鉆探驗(yàn)證屬地層正常塊段。探查鉆孔揭露徐灰涌水量均小于10 m3/h。綜合確定電法探測(cè)異常區(qū)、瞬變電磁探測(cè)異常區(qū)富水性差,對(duì)工作面回采無(wú)影響。1103 工作面底板徐灰區(qū)域治理達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具備開(kāi)采的條件。