采面底板物探异常区钻探钻孔设计及效果评价

吴文慧

（汾西矿业集团瑞泰公司正中煤业，山西 灵石 031300）

我国煤炭产量中95%以上采用井工开采，受到煤层赋存条件复杂、地质构造复杂等因素影响，煤炭开采受到诸多制约[1-3]。井工矿井生产时，对开采范围内地质构造进行详细探测并针对性采取措施降低地质构造影响对提升矿井煤炭生产效益具有重要意义[4]。现阶段矿井常用的探测技术包括钻探、物探以及巷探，其中，物探技术具有探测效率高、范围广以及成本低等优点，在煤炭开采过程中应用较为广泛，物探确定的异常区需要采用钻探方式进行验证[5-7]。本文以山西某矿3505 综采工作面开采为工程背景，采用确定底板异常区并针对性设计钻探进行探测，探测成果为矿井煤炭开采提供了可靠支撑。

1 工程概况

山西某矿3505 综采工作面设计走向推进1 520 m、倾向295 m，主要开采5#煤层。5#煤层厚度均值3.8 m、埋深605 m、倾角3°～5°，煤层顶板岩性以砂岩、砂质泥岩以及粉砂岩为主，底板以砂质泥岩为主。根据已经地质勘探资料显示，3505 综采工作面开采范围内存在有多个陷落柱，同时回采巷道掘进揭露有2 条落差均在3 m 以上的断层，具体采面内已掌握的地质构造分布情况见图1 所示。

图1 采面内地质构造分布示意图

3505 综采工作面回采过程中主要出水水源为顶板裂隙水以及底板奥灰水，其中底板奥灰水与开采的5# 煤层间距平均为61 m，含水层突水系数为0.035 MPa/m～0.043 MPa/m。采面属于带压开采，为确保煤炭回采安全，提出采用物探方式对底板潜在的导水构造进行探测并使用钻探进行综合分析。

2 物探探测

采用瞬变电磁法对3505 综采工作面底板地质构造进行探测。瞬变电磁场对地质构造含水体（低阻水体）具有较高的敏感性，同时该技术具有探测深度大、分辨率高等特点，可实现含水水体以及导水地质构造精准探测。根据3505 综采工作面实际地质条件，布置测点对底板进行探测，具体获取到的探测成果见图2所示。

图2 瞬变电磁探测成果图

从3505 综采工作面底板瞬变电磁探测成果得出，采面底板内圈定有低阻异常区，该区域主要集中在采面运输巷560 m～610 m 位置，距离5#煤层底板约45 m，属于轻中度异常区，预计异常区内富水性中等偏弱。综合已有地质资料推断，瞬变电磁探测确定的地质异常区为断层尖灭区，区域内含水且裂隙较为发育，从而导致瞬变电磁探测出现低阻情况。

3 钻探设计及评价分析

3.1 探测钻孔设计

为了探测瞬变电磁圈定的底板异常区导水性、富水性以及对采面回采影响，在采面内布置钻场对物探异常区进行钻探分析。采面内共计布置2 个钻场、3 个探测钻孔，其中1#钻场位于运输巷575m 位置、钻场内布置2 个探测钻孔；2#钻场位于运输巷605 m 位置，钻场内布置1 个探测钻孔。具体采面内探测钻孔布置参数见表1 所示。具体探测钻孔布置见第107 页图3 所示。

图3 探测钻孔布置示意图

表1 探测钻孔施工参数

在采面内施工的底板探测钻孔为二级套管结构，具体施工步骤为：

1）底板探测钻孔开孔孔径133 mm，当钻孔钻进深度为11m 后，在钻孔内下放长度10 m、直径108 mm套管，并注浆加固下放套管区域；待注浆加固24 h后，对钻孔进行耐压试验，试验压力设计为3 MPa～4 MPa，保压30 min，当钻孔壁未出现渗漏则表示合格。

2）钻孔以94 mm 孔径继续钻进31 m，后下放长度30 mm、直径89 mm 套管，并进行固管。套管施工完成后按照要求进行试压。

3）采用75 mm 钻头继续钻进至设计孔深，当钻孔出水后应及时对出水水压、出水量等水文地质参数进行记录、测量。

3.2 探测成果分析

对3505 综采工作面底板物探异常区施工的探测钻孔施工数据进行记录。其中，1#钻场1-1 钻孔在钻进深度为78 m 时钻孔开始出现涌水情况，其涌水量稳定在1.5 m3/h、水头压力为2.1 MPa；1-2 钻孔钻进至93 m 深度时钻孔有涌水情况发生，其涌水量为0.7 m3/h、水头压力为2.2 MPa。2#钻场2-1 钻孔钻进至90 m 深度时开始涌水，其涌水量为2.6 m3/h、水头压力为2.1 MPa。

底板探测钻孔通过物探异常区时均为出现涌水情况，具体底板物探异常区内钻孔窥视图见图4 所示。钻孔钻进至底板奥灰水顶板后钻孔开始出现出水情况，钻孔出水量整体较小。通过钻探分析可知，采面底板物探确定的异常区内裂隙发育、富水性相对较差，不会给采面煤炭回采安全带来较大威胁。

图4 底板物探异常区内钻孔窥视图

4 结语

由于3505 综采工作面属于带压开采，底板含水层沿着裂隙向回采涌出是采面回采时面临的主要安全威胁。掌握底板地质构造发育情况、针对性采取措施对构造地质构造进行治理，对促进采面安全高效回采具有重要意义。为此，本文提出采用瞬变电磁法对采面内地质构造进行探测，并圈定地质构造异常区；采用钻探方式对存在的物探异常区进行分析、评价异常区导水性以及对采面回采影响程度。

根据3505 综采工作面底板物探异常区圈定结果，对钻探钻孔进行设计。现场施工的3 个探测钻孔均钻探至底板物探异常区内且钻孔在异常区内钻进时均未有出水情况，表明物探异常区富水性较差；钻孔钻进至底板奥灰水顶板后钻孔有少量水涌出，涌水量较小。因此，判定底板物探异常区不会给采面回采安全带来较大威胁。