首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 地质学论文 > 地质勘探论文 > 奥灰承压水害防治中复合勘探技术的应用

奥灰承压水害防治中复合勘探技术的应用

2020-11-23 166 上传者：管理员

摘要：陷落柱的探查一般先采用矿井物探圈定异常区,然后采用常规回旋钻探进行探查,钻孔数量多、工作量大,且施工过程中钻杆弯曲变形、孔内地层变化、钻进工艺参数改变等会导致钻孔发生偏斜,从而导致探水决策失误。针对该问题,提出一种矿井物探和常规回旋钻结合定向钻探的复合勘探技术,并将其应用于唐家会矿61103综采工作面水害防治,即先采用槽波地震探查工作面内煤层中构造发育情况、音频电透视探查工作面底板富水异常区的分布,然后采用直流电测深在异常区中心探查异常纵向上的特征,最后采用定向钻和常规取芯穿层孔验证物探成果,确定异常区存在非导水奥灰岩溶陷落柱,并圈定了陷落柱的延展状态和边界。

关键词：
复合勘探
奥灰承压水
定向钻进
水文地质条件
陷落柱
加入收藏

我国煤矿水文地质条件复杂，水害事故时有发生。根据国家煤矿安全监察局公布的数据统计，2006—2018年全国煤矿共发生水害事故438起、死亡1911人，造成重大经济损失和社会影响。目前深部和下组煤煤炭资源开采的水害问题随着浅部和上组煤易采资源储量逐渐枯竭日益严重，矿井充水水文地质条件日趋复杂，突水影响控制因素增多，突水机理和类型复杂多变[1]。我国煤炭开发正由浅部走向深部，特别是对开采石炭系煤层的华北型煤田，煤矿受岩溶水的威胁尤为突出[2]，底板高承压岩溶水的通道探查为主要任务。

针对奥灰水害威胁严重的矿井，应严格执行井下探放水“两探”要求。采掘工作面超前探放水应当同时采用钻探、物探两种方法，做到相互验证，查清采掘工作面及周边老空水、含水层富水性以及地质构造等情况。有条件的矿井，钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水[3,4,5]。

目前通常应用于煤矿工作面水害探查的勘探手段主要是先瞬变电磁法探、音频电透视、槽波地震等圈定靶区[6]，采用常规回转钻探方案探放水，例如:侯俊华[7]等在东滩煤矿14317工作面分别采用矿井瞬变电磁法和音频电透视技术进行了水文物探工作后，设计了14个常规穿层钻孔进行验证，消除了工作面回采期间可能存在的水害;邱占林[8]等在深坑十四号煤矿采用矿井瞬变电磁法对28号工作面顶板富水性情况进行探查，施工了7个顶板穿层常规孔对瞬变电磁法异常区进行探查，其中4个钻孔效果较好;韦乖强[9]等在山东某矿1105工作面设计矿井瞬变电磁法圈定断层的平面位置及富水程度，采用常规钻孔无芯钻井验证了瞬变电磁法的推测成果。该方式存在物探资料解释单薄，分析解释方法是以点、线、平面、剖面等为主，通过推算预测形成的水文地质条件二维空间认识;针对物探异常区施工的钻孔数量多、工作量大，且施工过程中钻杆弯曲变形、孔内地层变化、钻进工艺参数改变等会导致钻孔发射偏斜。针对该问题，本文提出一种基于矿井物探和定向钻探的复合勘探技术，首先将矿井物探资料进行综合分析与解释，形成对水文地质条件初步的三维刻画，然后采用常规和定向钻孔的资料精确的描述水文地质异常体[10]，从而为工作面水害防治提供依据。

1、矿井物探技术

针对鄂尔多斯准格尔矿区6#煤层面临的奥灰承压水害威胁问题，主要需要解决构造导水的问题。对于发育至煤层的含/导水构造，可采用无线电波透视和槽波地震等方法探查构造发育位置。对于未发育至煤层的隐伏含/导水陷落柱，其附近虽不会直接形成导水通道，但在煤层工作面开采扰动下会形成导水通道，无线电波透视和槽波地震等方法无法探明其位置，可利用陷落柱与围岩的电性差异，采用音频电透视探查其发育范围。

2、定向钻进技术

煤矿井下定向钻进技术具有钻孔深度大、钻孔轨迹控制精度高、覆盖范围线性覆盖、钻孔利用率高等优势，已成为井下灾害防治和煤层开发的重要技术手段，其系统连接如图1所示。该技术采用孔底马达作为动力钻具，配备随钻测量系统、中心通缆钻杆、泥浆泵、钻头等装备，实时监测钻孔倾角、方位角并控制钻孔轨迹，是钻孔轨迹在目标层位精准延伸，并可实现分支孔钻进，具有钻孔精准、钻进效率高、工程量少、综合成本低等优点[11,12]。

图1煤矿井下定向钻进系统组成

3、实际应用

3.1 矿井水文地质条件

唐家会矿位于内蒙古鄂尔多斯准格尔煤田，61103工作面位于该矿一盘区，所采煤层为6#煤，工作面巷道底板标高+777.8～+791.7m，下距奥灰顶界面约47.5～60.7m，奥灰水位标高为+872.7m，煤层底板标高低于灰岩水位标高81～94.9m，属于带压开采。

工作面回采范围内6#煤层的总体构造形态为单斜构造，煤层的产状为:0°～80°∠0°～6°平均2°。根据工作面两巷实际揭露，该面切眼东部断层较发育，受DF11断层组影响，切眼揭露一条小断层，致使切眼附近煤岩层破碎，且有淋水现象。工作面掘进期间共揭露4条小断层，分别为:F103y1(∠70°，H=1.0m)、F103y2(∠65°，H=1.7m)、F103h1(∠70°，H=1.7m)、F103y3(∠53°，H=0.7m)，前三条均位于工作面开口附近，F103y3位于工作面切眼。对工作面回采基本无影响。地面物探和巷道掘进暂未发现陷落柱发育。

奥灰水位取+870m计算突水系数为0.024～0.0291MPa/m，小于临界突水系数0.06MPa/m，在底板隔水层完整的情况下，奥灰突水的可能性很小。但在存在导水陷落柱或导水断层的情况下，底板隔水层基本失去了隔水能力，奥灰突水的可能性较大，对工作面安全生产的构成威胁。

3.2 复合勘探设计

基于工作面存在安全隐患问题，设计采用槽波地震探查工作面内断层和陷落柱的发育情况、音频电透视探查工作面底板下0～80m范围内富水异常区的发育情况;然后根据槽波地震和音频电透视解释成果，设计常规和定向钻孔对异常的性质进行探查。

3.2.1 物探成果与分析

槽波地震施工参数为:炮点距30m，炮孔打在巷道壁上方靠近顶板处，孔深3m，孔径42mm，垂直于煤壁方向;接收点距10m，检波器对接到巷道锚杆露头上，与锚杆耦合良好;共采集透反射槽波有效数据78炮，测线长度共计2340m。音频电透视采用50m发射点距，10m的接收点距，双频施工(15Hz和120Hz)，两工作巷分别布置22个发射点，每个发射点，均完成接收点数11～21个，共完成231物理点，控制工作面走向长度1050m。

61103工作面槽波振幅衰减如图2所示，图2中深色(冷色)区域代表槽波能量正常穿透区，说明槽波可以从该区域正常穿过，工作面内部构造相对简单。较浅色(暖色)区域代表槽波能量低穿透区。根据掘进地质资料，工作面周围巷道未揭露落差较大的断层，槽波穿过整个工作面，能量并没有明显减小，说明槽波穿透工作面时未遇到大的构造带，槽波能量成像图上未发现规模较大的地质异常;仅在切眼和回风巷附近发现2处较小的异常区。

图261103工作面槽波振幅衰减成像图

音频电透视成果如图3所示，深色代表发现的低阻异常区，主要发现2处异常区，代表工作面底板0～80m范围内1和2号异常区域的岩层电阻率值较低，可能相对富水性较强。其中槽波地震和音频电透视在切眼附近均发现一处异常区(定为地质异常体)，按切眼掘进揭露情况综合分析，有可能为断层引起，但不能排除为陷落柱发育。

综上情况分析，切眼发现的地质异常体平面位置已确定，纵向发育深度不明确，对异常性质无法定性分析，因此设计在切眼位置施工直流电测深，探查切眼的地质异常体在纵向深度上的发育情况。设计在切眼施工120m的直流电测深，以地质异常体为中心，点距20m，极距5m，探查地质异常体纵向发育情况，成果如图4所示。图4中深色区域为低阻异常区，发现地质异常体纵向上从深度0～80m范围内均有发育，说明从奥陶系灰岩层位向上发育至煤层的地质异常体，推测为奥灰岩溶陷落柱的可能性较大。

图361103工作面音频电透视平面成果

图4直流电测深剖面成果图

3.2.2 钻探成果与分析

根据物探成果显示，切眼附近发现的地质异常体可能为奥灰岩溶陷落柱，首先设计采用定向钻进技术在工作面施工1个主孔D1,1个分支孔D1-1，探查工作面切眼附近6煤底板下35～40m段隔水层范围内的构造发育及水文地质情况，并对探查区进行注浆加固，封堵导水通道。钻孔设计三极孔身结果，如图5所示，一级孔用于下孔管，控制孔口水闸;二级孔用于穿过9煤、泥岩等不稳定岩层;三极孔为定向孔段，进入6煤底板下35～40m岩层段对地质异常体进行探查。

图5钻孔结构(mm)

施工定向钻孔显示D1和D1-1在未进入地质异常体前出水量约为8～9m3/h，定向钻孔再进入地质异常体后，出水量略有增加至12.8m3/h，注浆水泥量未超过10t，未发现其他异常现象。

为进一步探查地质异常体垂向上岩性变化情况，设计从工作面的两巷施工4个常规取芯穿层孔，终孔位置为地质异常体奥灰顶界面附近(如图6所示)。4个钻孔的岩性基本为:6煤、砂岩、泥岩、黄岩、砂岩、泥岩、奥灰顶界面红岩，缺失9煤。钻孔水量均小于5m3/h，单孔注浆量小于2t。

图6复合勘探与回采揭露对比

综合分析复合勘探资料，确定地质异常体为非导水奥灰岩溶陷落柱，范围约为30×40m，裂隙不发育，陷落柱底板裂隙注浆充填水泥体积约82.7m3,6煤以下35m已注浆加固，注浆终孔压力达7MPa。经过注浆加固，完整隔水层厚度为50m，该层承受奥灰水压0.8～1MPa，突水系数0.026MPa/m，小于临界突水系数0.06MPa/m;6煤层厚度18m，估计工作面回采后破坏深度最大27m，完整隔水层厚度约23m，满足《煤矿防治水规定》中安全带压开采的要求。为安全起见，建议过地质异常体期间不放顶煤，快速通过，有利于抑制底板破坏带的发育深度。

后经工作面回采揭露陷落柱实际范围为30EW*60NS，实际岩性情况:

1)陷落柱内煤体两侧向中心倾斜下沉，煤岩体胶结较好，异常体两侧煤体较为硬脆。

2)工作面74架附近顶板有淋滴水现象，面内施工的探孔有渗水现象。

3)陷落柱内煤层产状虽发生明显的改变，但内外边缘胶结较好。

4)陷落柱煤体较为密实，虽然抗压强度小，但隔水性能及再生阻水性能较好。

5)局部地点发现硫铁矿、方解石等结晶体。

4、结论

1)复合勘探技术思路采用槽波地震探查工作面煤层中构造、音频电透视探查工作面底板下富水异常区分布，在异常区位置采用直流电法探查异常纵向分布形态，给出定性分析;根据物探成果施工定向钻孔和常规穿层孔确认异常体为陷落柱，并圈定了其在工作面的延展状态和边界。

2)根据复合勘探结果，指导防治水工作，有效消除了因工作面开采揭露陷落柱可能导致的安全隐患。

3)复合勘探技术综合运用了矿井物探、定向钻探和常规钻探技术，为实现工作面水害隐患的准确探查与判定提供了新思路。

参考文献：

[1]武强.我国矿井水防控与资源化利用的研究进展､问题和展望[J].煤炭学报,2014,39(5):4-14.