李永濤，蒲治國(guó)，丁 湘，王 洋，謝小鋒，賀曉浪

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 烏審旗 017307; 2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司 西安 710054)

0 引言

我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了物探服務(wù)于煤炭安全生產(chǎn)的的重要性。近年來(lái)，大量研究與實(shí)踐證明，通過(guò)物探手段可以查明煤礦礦井地質(zhì)構(gòu)造、老采空區(qū)及含水層分布等，為礦井工作面布置、開采方式的選擇和防治水等提供依據(jù)。然而單一的物探方法往往在勘探目標(biāo)、勘探深度、分辨能力與解決問(wèn)題等方面存在弊端，而綜合物探方法防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害與水害風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)明顯。綜合物探技術(shù)以其獨(dú)具的信息量大、分辨率高、控制網(wǎng)密等優(yōu)點(diǎn)，能較準(zhǔn)確地探測(cè)斷層、煤層、地質(zhì)異常體及含水體的空間分布及其富水性[1-3]。本文依據(jù)沉積控水規(guī)律，充分利用地面三維地震勘探、可控源音頻大地電磁測(cè)深及井下工作面音頻電透視勘探成果，系統(tǒng)全面地分析工作面水文地質(zhì)條件，從而圈定重點(diǎn)疏放區(qū)域，采取重點(diǎn)區(qū)域加密疏放，其他區(qū)域輔助疏放的方式，從而達(dá)到安全、高效、可控與快速的疏放水效果，實(shí)現(xiàn)“削峰平谷”的目標(biāo)，為工作面安全回采奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 理論與方法

1.1 三維地震勘探成果應(yīng)用

三維地震勘探是從三維空間了解地下地質(zhì)構(gòu)造并對(duì)巖性進(jìn)行分析的重要手段。利用三維地震資料提取同一時(shí)間或同一巖層的屬性特征，可查明研究區(qū)主要含水層在平面上的展布規(guī)律[4-5]。研究區(qū)侏羅系地層為陸相沉積，主要發(fā)育為三角洲沉積體系與河流沉積體系。由于河流滯留沉積作用和心灘沉積作用導(dǎo)致巖性物性存在差異，表現(xiàn)為巖層反射波的振幅能量、頻率方面存在較大差異。根據(jù)這些特征可確定古河道中心位置(圖1)。該圖為納林河北翼采區(qū)直羅組一段的相干體屬性切片，從切片中看出，在河道中心與河漫灘存在明顯的物性特征差異。結(jié)合沉積相研究，河道砂體中心砂體有充分的分選和磨圓，孔隙變得規(guī)則，有效孔隙度和滲透率逐漸變大，透水能力增強(qiáng)。從圖1看出，31121工作面上方對(duì)應(yīng)河道中心位置則為相對(duì)富水區(qū)域。

圖1 直羅組一段三維地震相干體屬性切片圖Figure 1 Zhiluo Formation first member 3D seismic coherent cube attribute slice

1.2 可控源音頻大地電磁測(cè)深成果應(yīng)用

可控源音頻大地電磁測(cè)深目前被廣泛用于煤礦水文地質(zhì)條件探測(cè)，并取得了較好的效果[6-8]。納林河二號(hào)礦井在地面實(shí)施了可控源音頻大地電磁測(cè)深勘探，通過(guò)探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)解釋剖面的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，剖面上各含水層明顯存在富水性的差異(圖2)。利用該方法可以輔助確定工作面上方區(qū)域充水含水層在平面上的富水條帶及剖面上的富水砂體，從圖2可以看出，直羅組含水層富水性相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)同一層含水層而言，在NL15鉆孔左側(cè)富水性最強(qiáng)，31121工作面平面位置位于NL15鉆孔左側(cè)，即工作面上方直接充水含水層直羅組一段富水性強(qiáng)。

圖2 電測(cè)深線等視電阻率剖面圖Figure 2 Electric sounding line iso-apparent resistivity section

1.3 工作面音頻電透視成果應(yīng)用

音頻電透視技術(shù)是一種適合礦井環(huán)境要求的低頻電磁法勘探技術(shù),主要用于探測(cè)煤礦井下工作面頂板或底板內(nèi)含水構(gòu)造、富水區(qū)域及范圍，指導(dǎo)礦井有針對(duì)性的采取疏放水措施、制定有效的防治水方案提供科學(xué)依據(jù)[9-10]。納林河二號(hào)礦井31121工作面面采前進(jìn)行了音頻電透視勘探，結(jié)果反映在工作面范圍內(nèi)有6個(gè)異常區(qū)，結(jié)合水文地質(zhì)資料綜合分析確定 2 號(hào)、5 號(hào)和 6 號(hào)異常區(qū)為相對(duì)富水區(qū)域(如圖3)，則2 號(hào)、5 號(hào)和 6 號(hào)異常區(qū)為工作面疏放水的重點(diǎn)區(qū)域。

1.4 沉積控水規(guī)律研究成果應(yīng)用

1.4.1 富水性分區(qū)研究

通過(guò)對(duì)納林河二號(hào)礦井進(jìn)行了沉積相與富水規(guī)律研究[11-14]，揭示區(qū)域的沉積特征，建立了侏羅系層序地層格架及沉積體系。從圖4反應(yīng)出延安組三段砂巖含水層富水性整體呈條帶分布特征，富水性由東南向西北逐漸減弱，在31121工作面里段切眼附近富水性中等，其余地段富水性弱；從圖5反應(yīng)出直羅組一段砂巖含水層富水性整體也呈條帶分布特征，富水性由西北向東南逐漸減弱，礦井中部富水性相對(duì)較強(qiáng)， 31121工作面位于富水條帶的左側(cè)。通過(guò)礦井已采區(qū)段對(duì)比分析，直羅組一段含水層的富水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于延安組三段含水層富水性，即31121工作面探放水工程布設(shè)重點(diǎn)考慮直羅組一段含水層富水區(qū)，單從圖5考慮，工作面右側(cè)為探放水的重點(diǎn)區(qū)域。

圖3 直羅組一段含水層音頻電透視成果圖Figure 3 Zhiluo Formation first member aquifer audiofrequency electric perspective results

圖4 延安組三段含水層富水性分區(qū)Figure 4 Yan’an Formation third member aquifer water yield property zoning

圖5 直羅組一段砂巖含水層富水性分區(qū)Figure 5 Zhiluo Formation first member aquifer water yield property zoning

1.4.2 沉積相分析研究

根據(jù)地面勘探鉆孔資料，針對(duì)采后導(dǎo)水裂縫帶波及范圍內(nèi)頂板巖石組合特征進(jìn)行對(duì)比分析，掌握含、隔水層的時(shí)空結(jié)構(gòu)。由于陸相沉積與海相沉積不同，巖相變化較大，據(jù)勘探成果資料分析，在納林河二號(hào)礦井侏羅系地層砂體分布在剖面上呈透鏡體狀，在平面上呈條帶狀分布特征，所以在該區(qū)域布設(shè)疏放水鉆孔時(shí)必須查清砂體的空間結(jié)構(gòu)，尤其是直羅組一段含水層砂體的分布特征，才能做到有的放矢。31121工作面采后導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度120m，按地層空間結(jié)構(gòu)分布，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至直羅組一段含水層。據(jù)礦井水文勘探鉆孔抽水資料，直羅組一段含水層單位涌水q=0.006 76L/(s·m)，延安組三段含水層單位涌水量q=0.002 23L/(s·m)，另外據(jù)礦井實(shí)際疏放水鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，疏放水鉆孔在延安組三段含水層的總出水量與直羅組一段含水層的總出水量比大致為1∶5，由此證明了直羅組一段含水層的富水性強(qiáng)于延安組三段含水層，所以疏放水鉆孔終孔層位必須至直羅組一段含水層層位，同時(shí)兼顧到所有砂體內(nèi)。

2 納林河二號(hào)礦井31121工作面疏放水鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 確定工作面重點(diǎn)疏放范圍及重點(diǎn)層段

綜合井上、井下物探成果資料，結(jié)合沉積控水研究成果等資料，對(duì)工作面的水文地質(zhì)條件進(jìn)行全面、詳實(shí)的研究， 從而確定疏放水鉆孔的重點(diǎn)疏放范圍及重點(diǎn)疏放層段，即重點(diǎn)疏放水區(qū)域的靶向標(biāo)定。本次利用三維地震勘探、可控源音頻大地電磁測(cè)深、工作面音頻電透視等成果資料分析確定31121工作面疏放水的重點(diǎn)范圍(平面)；據(jù)沉積相與富水規(guī)律研究、地面勘探鉆孔資料及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度等資料分析確定工作面疏放的重點(diǎn)區(qū)段及層段(剖面)，即1號(hào)、2 號(hào)、5 號(hào)和 6 號(hào)異常區(qū)和古河道中心為重點(diǎn)疏放區(qū)域，直羅組一段含水層為重點(diǎn)疏放層段。

2.2 疏放水鉆孔設(shè)計(jì)

據(jù)上述分析成果及確定的重點(diǎn)疏放范圍和層段，在重點(diǎn)疏放區(qū)域I、II內(nèi)疏放水鉆孔密度大于非重點(diǎn)區(qū)域，重點(diǎn)區(qū)域原則上按“三角型”布置，局部區(qū)域加密鉆孔按“米字型”布置，非重點(diǎn)區(qū)域原則上按“一字型”布置，鉆孔的孔間距按150m(礦經(jīng)驗(yàn)數(shù)值)，疏放水鉆孔垂直距離120m(據(jù)礦實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育而定)。

2.3 疏放水效果

根據(jù)31121工作面疏放水鉆孔初始出水量統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)疏放區(qū)域1內(nèi)的疏放水鉆孔單孔平均初始出水量在80 m3/h左右，重點(diǎn)疏放區(qū)域2內(nèi)的疏放水鉆孔單孔平均初始出水量50 ～120m3/h，非重點(diǎn)疏放區(qū)域內(nèi)的疏放水鉆孔單孔平均初始出水量30m3/h左右；重點(diǎn)區(qū)域疏放水鉆孔密度為181個(gè)/km2，非重點(diǎn)區(qū)域的疏放水鉆孔密度為76個(gè)/km2，重點(diǎn)區(qū)域的疏放水鉆孔的密度為非重點(diǎn)區(qū)域的2.4倍，而疏放水鉆孔的初始出水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非重點(diǎn)疏放區(qū)域，說(shuō)明重點(diǎn)區(qū)域砂巖含水層的富水性要強(qiáng)于非重點(diǎn)區(qū)域(如圖6)。由此證明，按上述方法對(duì)重點(diǎn)疏放區(qū)域圈定是科學(xué)、合理的，減少了疏放水鉆孔工程量，節(jié)約了工作面投產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)達(dá)到了快速疏放頂板砂巖水的效果。

圖6 31121工作面疏放水鉆孔設(shè)計(jì)及初始出水量分布圖Figure 6 Working face No.31121 water drainage borehole design and initial water output distribution

3 結(jié)論

(1)在沉積控水規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合利用地面及井下各種物探資料，系統(tǒng)分析工作面的水文地質(zhì)條件，起到對(duì)工作面疏放水重點(diǎn)范圍及層段的靶向標(biāo)定。

(2)采用靶向區(qū)域重點(diǎn)疏放，其他區(qū)域輔助疏放的疏放水模式，可以達(dá)到安全、高效、可控與快速的疏放水效果，實(shí)現(xiàn)工作面“削峰平谷”的目標(biāo)。

(3)綜合物探技術(shù)成功應(yīng)用于納林河二號(hào)礦井頂板砂巖水防治，為蒙陜礦區(qū)頂板砂巖水疏放技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。