帶壓開采區超前探目標層位綜合確定方法

朱開鵬

（1.中煤科工集團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重點實驗室，陜西 西安710077）

2018 年9 月1 日正式實施的《煤礦防治水細則》將煤礦防治水綜合防治措施由“防堵疏排截”擴展為“探防堵疏排截監”[1]，增加了“探”和“監”2 項措施。其中，“探”主要是指地面的水文地質調查、觀測、勘探及井下水文地質補充勘探、采掘工作面探測、局部防治水工程勘探等[2]。而采掘工作面探測是進行井下精細探查的主要手段，即采用超前勘探方法，查明采掘工作面周圍水體的具體位置和貯存狀態等情況，為有效地防治礦井水害做好必要的準備，在水害防治措施中居核心地位和先導作用。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，是采掘工作面探測工作中最直接有效的手段。帶水壓開采區采掘工作面超前探放水工作開展之前需要確定鉆孔數量、結構、超前距、幫距等關鍵參數，《煤礦防治水細則》中給出了相關規定和計算方法，眾多科技工作者在超前探方法方面也開展了大量研究[3-8]。但是在實際生產過程中，往往機械地照搬計算公式，而缺乏對掘進頭所處水文地質條件的具體分析。其中較為常見的1 類問題是，在確定超前探鉆孔終孔位置時，僅依據圍巖松動圈及斯列薩列夫公式的計算結果確定終孔垂距，而缺乏對終孔層位巖性、富水性等水文地質條件的具體分析，往往使超前探鉆孔的目標層位落在泥巖、砂質泥巖、鋁土質泥巖等突水表征性相對較弱的巖層，難以準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、寒武紀等主要巖溶裂隙含水層之間的水力聯系，既造成鉆探工程量的浪費，又不能滿足防治水工作要求，從而降低了超前探放水工作的經濟性、有效性。為此，以位于華北地臺鄂爾多斯臺東北邊緣的準格爾礦區為例，闡述帶水壓開采區超前探放水目標層位綜合確定方法。

1 準格爾礦區帶水壓開采概況

準格爾礦區位于鄂爾多斯臺東北邊緣，總體呈東部隆起、西部凹陷、走向近南北、向西傾斜的單斜構造，地層產狀整體平緩，傾角一般小于10°，屬華北型石炭二疊系煤田，探明地質儲量約380 億t，目前主采煤層為6 煤，主要充水水源為奧陶紀-寒武紀碳酸鹽巖巖溶裂隙水、石炭系-二疊系砂巖孔隙裂隙水、采空區積水等，其中尤以底板奧灰水威脅最為嚴重，曾發生過斷層導通型奧灰水突水淹井事故，目前區域奧灰水位標高為+870 m 水平，有9 對生產礦井全部或局部面臨底板奧灰水帶壓開采問題，6 煤底板帶水壓程度為0～4.5 MPa，帶水壓開采情況示意圖如圖1。9 對礦井的生產能力介于300～1 800 萬t/a，年度總產量8 000 萬t/a，均為現代化大型礦井。

目前各礦主采的太原組6 號煤層平均厚度約19.26 m，底板互層發育有以細砂巖、粗砂巖為主的薄層砂巖裂隙含水層，及以鐵質泥巖、鋁土質泥巖、黏土巖、9 號煤層等為主的較為穩定的隔水層，煤系基底為寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，6 煤底板巖層組合關系圖如圖2。6 煤與9 煤間、9 煤與奧灰間分別發育有3.37、12.11 m 厚的粗砂巖層，一般裂隙較為發育、含水，但富水性弱、補給條件差，超前探放水孔涌水量一般小于20 m3/h，且易于疏干。當斷層、陷落柱等垂向導水通道使其與奧灰含水層相連通時，局部富水性加強、補給充分，鉆孔涌水量可超過100 m3/h，水頭壓力及水化學特征與奧灰水接近。所以，2 層砂巖裂隙含水層是帶壓開采區超前探放水鉆孔重點探查層位。

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

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

2 掘進工作面底板超前探查目標層位

在帶壓開采區進行巷道掘進時，需通過物探、鉆探2 種方法進行超前探查，其中鉆探超前探需確定鉆孔數量、超前距、幫距、終孔層位等關鍵參數?，F階段各礦井生產區域帶壓程度普遍不高，底板帶壓程度小于2 MPa，針對奧灰含水層的超前探鉆孔一般布置3 個，超前距不小于20 m，幫距不小于10 m。首先根據圍巖松動圈計算公式及斯列薩列夫公式分析計算巷道底板安全隔水層厚度，再結合底板薄層砂巖裂隙含水層發育位置，綜合確定超前探放水鉆孔終孔層位。

2.1 巷道圍巖松動圈

各礦均為現代化礦井，巷道一般寬5.5 m、高4 m，巷道掘進后，應力重新分布，巷道周邊圍巖不能承受壓力時則產生裂隙，并發生變形位移，形成破裂松動圈，根據巷道圍巖塑性區計算公式[9]可計算巷道松動圈厚度確定：

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 為原巖應力，取12 MN/m2；C 為圍巖黏聚力，取1.36 MPa；φ 為圍巖內摩擦角，取40°；pi為支護阻力，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

經計算，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。所以松動圈底界面深度h2應為：

式中：h1為巷道形心高度，m；h2為巷道底板松動圈最大深度，m。

計算可得巷道松動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階段各礦巷道掘進期間底板隔水層承受的最大水壓力約為2.0 MPa，根據斯列薩列夫公式[10]可計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度，1.54 MPa；p 為底板隔水層承受的水頭壓力，2.0 MPa。

經計算，巷道掘進期間底板隔水層安全厚度t 為4.3 m，由于巷道掘進過程中會產生松動圈，松動圈范圍內裂隙發育，已經喪失隔水能力。所以，巷道超前探終孔層位深度H 應為h2與t 之和，即巷道超前探鉆孔終孔深度應不小于6.9 m。

2.3 超前探查層位綜合確定

計算結果顯示，現階段準格爾煤田各礦井在帶壓區進行巷道超前探時，超前探查層位設計在巷道底板6.9 m 以深即可，但該層位仍為底板泥巖、砂質泥巖段，孔口套管將坐在抗壓能力較小、質軟、易碎的弱膠結巖層段，甚至松動圈內，一旦揭露強富水區，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探查結果的影響。

所以，為使超前探鉆孔能夠更全面地反應底板充水含水層的水文地質信息，特別是探查底板奧灰含水層水是否已通過斷層、陷落柱等垂向導水通道導升至煤層底板，需將巷道掘進期間超前探鉆孔終孔層位設計在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確層位，不可簡單的設定1 個固定超前探鉆孔垂距，還需結合已有地質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 工作面運輸巷超前探放水鉆孔設計終孔層位由巷道底板下8 m 調整至15 m，鉆進至6煤與9 煤之間的粗粒砂巖層終孔，單孔涌水量達到78.9 m3/h，通過水壓觀測及水化學測試，判斷鉆孔涌水為奧灰水，準確探查到前方65 m 處存在奧灰水導升富水區。通過后續專項探查工程查明該處發育有隱伏陷落柱，成功避免了水害事故。所以，6 煤巷道在底板奧灰水帶壓區掘進時，超前鉆探工程以6煤與9 煤間薄層砂巖含水層為目標層是合理的。

3 回采工作面底板富水異常區探查目標層

帶壓開采區工作面涌水的充水通道主要是斷層、陷落柱、裂隙發育帶、底板采動破壞帶等，斷層、陷落柱、裂隙發育帶形成于地質時期，屬于自然類導水通道，受采礦活動會發生部分活化，但位置、產狀等屬性不受人類活動影響而變化，屬于相對靜態導水通道，勘探階段進行了一定程度的探查工作后一般可提前采取有針對性的防治水措施；底板采動破壞帶屬于因采礦活動擾動產生的人為導水通道，受煤層采厚、工作面尺寸、開采工藝、底板巖性組合、地應力、水壓力等多種因素影響，且隨著工作面回采動態變化，往往容易導通底板富水異常區、隱伏導水陷落柱、底板裂隙發育帶等，需在回采前通過理論公式或者參考實測成果進行計算和預測，是進行帶壓區工作面回采前確定物探、鉆探等防治水設計的重要參數，探查驗證范圍需覆蓋底板采動破壞帶。

準格爾礦區帶壓開采區域的井工礦全部屬于生產規模較大的現代化礦井，采用大采高、大工作面的綜合機械化開采工作，工作面斜長一般在240 m左右，通過經驗公式[11]可計算工作面回采后底板采動破壞帶可達26.6 m 左右。

式中：hd為底板采動破壞帶，m；l 為工作面斜長，m。

此外，礦區內部分礦井已經開展了底板采動破壞帶現場實測工作，取得了更為準確的實測結果。如不連溝礦、酸刺溝礦、黃玉川礦通過現場鉆孔注水試驗、FLAC3D數值模擬、理論計算等手段研究得到底板采動破壞帶最大發育深度可達34.9 m，底板采動破壞帶實測結果統計表見表1，大于經驗公式計算結果，有力地指導了帶壓開采防治水工作。

表1 底板采動破壞帶實測結果統計表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，補給不充分，但是在與奧灰含水層存在水力聯系的塊段，富水性明顯加強，且補給充分。如位于煤田北部的某礦在進行第5 個工作面底板奧灰水富水性探查時，鉆孔鉆進至9 煤與奧灰間粗砂巖層時即發生涌水，探得該處奧灰水存在導升現象，及時采取防治水措施避免了突水事故。所以，準格爾煤田帶壓區工作面回采前底板富水異常區探查層位應設計在9 煤與奧灰間粗砂巖層。

4 超前探放水層位綜合確定

為達到理想的探放水效果，準格爾煤田各礦井在帶壓區進行生產活動時，掘進工作面探放水目標層為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層為9 煤與奧灰間砂巖裂隙含水層，分別為目標層1、目標層2，超前探放水目標層位示意圖如圖4。

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

5 結 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、砂質泥巖等隔水層，不能準確反映帶壓開采水文地質條件；具有指標性的層位為底板下平均約15.7 m 的粗粒砂巖層，掘進工作面超前探放水鉆孔鉆進至該層位，方能探明底板帶壓開采水文地質條件，起到巷道掘進階段超前探放水作用，即6 煤與9 煤間的粗粒砂巖層是準格爾礦區6 煤帶壓開采區掘進工作面超前探鉆孔第1 目標層。

2）6 煤工作面回采后底板采動破壞帶深度可達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層位應為9 煤與奧灰間粗砂巖層，以判斷奧灰含水層是否有導升現象，方能指導采前帶壓開采防治水工作，即9 煤與奧灰間的粗粒砂巖層為準格爾礦區6 煤帶壓開采區回采工作面超前探第2 目標層。

3）由于準格爾礦區處于鄂爾多斯盆地東北邊緣，各地層受風化剝蝕作用、構造運動作用強烈，沉積厚度不均一性強烈、褶皺較為發育，所以6 煤與底板2 層粗砂巖間距需根據超前探位置附近地質鉆孔資料確定。