王 剛，宋雯靜，朱 偉

（1.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 微山 277606；2.山東煤炭學(xué)會(huì)，山東 濟(jì)南 250031）

0 引 言

井下物探通?？梢圆扇≈T如音頻電穿透等多種方法，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》的要求，采煤工作面應(yīng)當(dāng)選擇兩種以上方法，相互驗(yàn)證[1]，采集數(shù)據(jù)，分析、處理、解釋數(shù)據(jù)，形成此成果報(bào)告，為工作面回采提供基礎(chǔ)物探資料，若發(fā)現(xiàn)斷層、裂隙或者陷落柱等構(gòu)造充水的，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的安全措施；否則，不得回采。物探報(bào)告中煤層頂板富水異常區(qū)的疏放治理，是對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層或者其他水體的一種超前治理，杜絕工作面生產(chǎn)突水的重要措施[1]。

1 頂板水的分類(lèi)和富水區(qū)的判定

1.1 水害類(lèi)型

水害類(lèi)型指地表水、孔隙水、巖溶水、斷裂構(gòu)造水、頂板水、底板水等多種水[2]。

1.2 頂板水

1）開(kāi)采煤層頂部無(wú)采空區(qū)積水，即開(kāi)采煤層上部無(wú)已開(kāi)采的煤層，這時(shí)頂板水指的就是煤層頂板含水層對(duì)應(yīng)的水體。

2）正在開(kāi)采煤層上部煤層已被開(kāi)采，且采空區(qū)內(nèi)有積水，這時(shí)的頂板水指的就是老空水。

這里的頂板水類(lèi)型的劃分主要以空間分布來(lái)劃分的，確定好頂板水的類(lèi)型，才能為疏放技術(shù)提供有力佐證；細(xì)分一下水源，頂板水的水源除生產(chǎn)涌水，基本上還是含水層水體為主。

1.3 富水異常區(qū)空間層位

1.3.1 物探分析

經(jīng)物探報(bào)告分析，某工作面頂板方向上共存在2 處低阻異常區(qū)域?yàn)棰瘛ⅱ?，Ⅰ區(qū)分布在工作面內(nèi)，距切眼215～290 m，異常高度15～65 m，異常寬度3～53 m；Ⅱ區(qū)在工作面內(nèi)，距切眼300～385 m，異常高度17～80 m，異常寬度5～73 m，見(jiàn)圖1。

圖1 富水異常區(qū)域范圍

1.3.2 瞬變電磁探測(cè)

1）瞬變電磁法是在地面瞬變電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，不同之處為進(jìn)行的場(chǎng)所不同，礦井瞬變電磁法在井下巷道內(nèi)進(jìn)行，而瞬變電磁場(chǎng)呈全空間分布，故全空間效應(yīng)為礦井瞬變電磁法固有的問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。但此法在探測(cè)井下工作面頂?shù)装搴畬拥暮闆r方面具有其自身的優(yōu)勢(shì)，如：施工空間小、指向性強(qiáng)、橫向分辨率高等。

圖2 瞬變電磁半空間與全空間煙圈效應(yīng)示意圖

2）高阻介質(zhì)易于通過(guò)電磁波，但是對(duì)直流電場(chǎng)卻有一定的屏蔽性，煤層作為高阻介質(zhì)，對(duì)TEM 沒(méi)有屏蔽性，接收圈接收的信號(hào)來(lái)自于發(fā)射圈周?chē)臻g巖石電性的綜合反映。故可根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)資料加以綜合分析來(lái)判定異常體的空間位置。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法即通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后計(jì)算出視電阻率曲線，再通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換處理得到各測(cè)線視電阻率斷面圖，最后結(jié)合礦井地質(zhì)資料綜合分析各因素劃分出巖層富水區(qū)的分布范圍。

查閱礦井瞬變電磁法的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]，對(duì)礦井瞬變電磁法的應(yīng)用情況得出以下認(rèn)知：

1）作為時(shí)間域電磁感應(yīng)法的補(bǔ)充和完善，因其在巷道圍巖介質(zhì)中具有有全空間效應(yīng)和巷道影響，因此巷道影響下的全空間瞬變電磁場(chǎng)的分布變化規(guī)律也是礦井瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)。

2）實(shí)踐表明為提高瞬變電磁場(chǎng)的強(qiáng)度而采用的通過(guò)增加線圈匝數(shù)的做法有效的提高了探測(cè)信號(hào)信噪比，但卻引起了視電阻率計(jì)算值偏低且偏離實(shí)際情況很大，需進(jìn)行校正。

3）合理選擇測(cè)點(diǎn)位置，采用多次疊加技術(shù)有效保證了井下探測(cè)質(zhì)量，避免了由于一些客觀因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時(shí)發(fā)射和接收線圈的位置及角度對(duì)提高地質(zhì)應(yīng)用效果也極為重要。

4）陳強(qiáng)、趙敏等的研究[6-8]表明礦井瞬變電磁法具有其自身優(yōu)勢(shì)如：巷道施工空間對(duì)TEM 法限制小、測(cè)量方法的選擇更為靈活等。因此，巷道影響下全空間瞬變電磁場(chǎng)正演理論的建立，不僅能擴(kuò)大此方法的應(yīng)用領(lǐng)域同時(shí)在高滲透應(yīng)力條件下水與瓦斯突出的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等應(yīng)用中也前景良好。

2 導(dǎo)水裂隙帶及地層分布

2.1 工作面導(dǎo)水裂縫帶高度

根據(jù)參考文獻(xiàn)1 中對(duì)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開(kāi)采規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建下規(guī)范》）附表6-2 中硬型巖層公式計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度[1]。

公式（1）（《建下規(guī)范》附表6-2 公式之一。為增大安全系數(shù)，中誤差取+5.6）：

式中：Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，（m）；ΣM為累計(jì)采厚，（m）；采厚3.5m。

則導(dǎo)水裂縫帶最大高度為：

公式（2）（《規(guī)程》附表6-2 中公式之二。參數(shù)同前）：

導(dǎo)水裂縫帶高度取公式（1）和公式（2）計(jì)算的最大值，即：導(dǎo)水裂縫帶高度47.4 m[1]。

2.2 3 上煤頂部含水層分布

2.2.1 下石盒子組底部砂巖

下石盒子組巖性以厚層雜色泥巖、灰綠色粉砂巖為主，間夾細(xì)、中、粗砂巖。下石盒子組底部砂巖以中、細(xì)砂巖為主，平均厚度15.5 m，下距3上煤層頂板99.41 m。砂巖成分以石英為主，次為長(zhǎng)石，多為泥、鈣、硅質(zhì)膠結(jié)，具裂隙，充填方解石。

石盒子組地層大部地區(qū)為上侏羅統(tǒng)地層所覆蓋，埋藏較深。本組上部巖性主要為厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖，因此，難以接受上侏羅統(tǒng)礫巖水的下滲補(bǔ)給。井田內(nèi)抽水試驗(yàn)2 次，單位涌水量0.005 5～0.028 3 L/s·m，礦化度0.637 g/L，水化學(xué)類(lèi)型HCO3-·Cl·SO4-Na，富水性弱。因此下石盒子組底部砂巖含水層對(duì)本工作面無(wú)影響。

2.2.2 煤頂?shù)撞可皫r

煤頂部巖性以中砂巖為主，局部相變?yōu)榉凵皫r、砂質(zhì)泥巖。砂巖平均厚度26.01 m，泥鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，具裂隙，內(nèi)充填方解石，局部中砂巖裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.000 04～0.005 9 L/s·m，水化學(xué)類(lèi)型HCO3-Na·Ca～HCO3·SO4-Na，礦化度0.235～0.842 g/L，富水性弱。

煤頂?shù)撞可皫r最大埋深850 m，無(wú)露頭，補(bǔ)給條件差，富水性弱，以靜儲(chǔ)量為主。煤頂部砂巖水為工作面回采期間的涌水水源。

2.2.3 太原組第三層石灰?guī)r

3上煤底部主要含水層為太原組三灰，距3上煤層底板平均距離88.44 m，含水層平均厚度9.3 m，富水性不均一。三灰無(wú)露頭，補(bǔ)給條件差，以靜儲(chǔ)量為主，充水空間不發(fā)育。

2.2.4 奧陶系灰?guī)r

井田內(nèi)有19 個(gè)孔揭露奧灰，最大揭露厚度83.52 m（X6-17 號(hào)孔）。其中漏水孔6 個(gè)，漏水孔率31.7%。從鉆探取芯觀察，奧灰裂隙發(fā)育，充填方解石，有溶蝕現(xiàn)象。單位涌水量為0.003 8～0.561 L/s.m，水化學(xué)類(lèi)型為SO4- Ca·Na、SO4-Na·Ca，礦化度4.677～4.901g/L。

2.3 工作面突水性危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)

根據(jù)礦井2021-1 奧灰水長(zhǎng)觀孔，水位-125.7 m計(jì)算奧灰突水系數(shù)。

根據(jù)礦井2021-2 三灰長(zhǎng)觀孔，水位-598.5 m計(jì)算三灰突水系數(shù)。

2.4 鉆孔布置分析

1）異常區(qū)最高發(fā)育高度為80 m，按照煤層傾角9°計(jì)算，發(fā)育高度層位約為頂板上79 m，根據(jù)煤層頂板含水層分布富水異常區(qū)接近下石盒子組底部砂巖含水層；且石盒子組含水層富水性明顯大于3 煤頂板砂巖含水層富水性。

2）導(dǎo)水裂縫帶高度取公式（2）計(jì)算的最大值，即：導(dǎo)水裂縫帶高度47.4 m，對(duì)應(yīng)層位為煤頂部約16 m 泥巖底部，泥巖為隔水層，且根據(jù)鉆孔分析完整無(wú)構(gòu)造影響，為完整隔水層。

3）施工探放水鉆孔的目的是為了認(rèn)為形成導(dǎo)水通道，對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行疏放，防止推采期間頂板裂隙導(dǎo)通富水區(qū)造成突水事故。這里我們就是討論，探放水鉆孔施工是否要穿過(guò)富水異常區(qū)。

4）根據(jù)各規(guī)程、細(xì)則分析，沒(méi)有明確要求穿過(guò)富水異常區(qū)，但是必須做到物探、鉆探相互驗(yàn)證；鉆孔作為人為形成的導(dǎo)水通道，施工至下石盒子組含水層，相當(dāng)于對(duì)下石盒子含水層進(jìn)行疏放，導(dǎo)致含水層周邊的水體匯聚，順著導(dǎo)水通道形成自流水。

5）綜上分析，富水異常區(qū)的疏放，應(yīng)當(dāng)結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和煤層頂板含水層及巖層含（隔）水性進(jìn)行綜合分析，穿過(guò)含水層并不是最好的疏放手段，極有可能人為形成導(dǎo)水通道，造成對(duì)生產(chǎn)的負(fù)面影響。在后期資料處理和解釋中，針對(duì)本次探測(cè)的地質(zhì)任務(wù)的特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料并采取相應(yīng)的技術(shù)手段經(jīng)過(guò)全面的分析和處理，大大提高了成果的可靠度。

6）探放水工程作為治理水害的重要手段，各方面都要考慮到，不能大而化之，具體情況具體分析，同樣的基礎(chǔ)資料，不同的分析思路，得到解決問(wèn)題的方法也不同，局限大大制約了治理的效果。

2.5 防治水措施

1）道低洼點(diǎn)施工水倉(cāng)，工作面回采前，必須提前形成完善的排水系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)施，保證2 路排水管路。確保工作面排水能力不小于最大涌水量的1.5倍。各排水點(diǎn)準(zhǔn)備好備用水泵、接頭，易于連接更換，確保備用泵、開(kāi)關(guān)、并線隨時(shí)啟動(dòng)。加強(qiáng)對(duì)沿途臨時(shí)水倉(cāng)、中央水倉(cāng)水泵及排水管路等設(shè)備檢修檢查，完善排水系統(tǒng)，保證排水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2）加強(qiáng)工作面初次來(lái)壓及頂板初次跨落期間水情水害觀測(cè)工作，并在機(jī)頭排水點(diǎn)處配備2 臺(tái)流量不小于最大涌水量1.5 倍的水泵，1 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用。以便涌水及時(shí)排入水溝內(nèi)。

3）完善避災(zāi)路線與應(yīng)急處置措施，加強(qiáng)安全技術(shù)措施的貫徹學(xué)習(xí)和日常警示教育培訓(xùn)，提高職工安全意識(shí)。

3 離層水與頂板水鉆孔的關(guān)系討論

3.1 離層水

1）離層水，即離層空腔積水，煤層開(kāi)采后，由頂板覆巖不均勻變形及破壞而形成。

離層水也是頂板水害類(lèi)型之一，受威脅的礦井，應(yīng)提前判斷出離層發(fā)育的層位，并采取一定的手段，破壞離層空間的封閉性、預(yù)先疏放離層的補(bǔ)給水源或者超前疏放離層水等。

2）一個(gè)工作面是否有離層水的形成主要取決于上覆巖層的巖性、富水性、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度及導(dǎo)水通道4 個(gè)要點(diǎn)。因離層水發(fā)生的事故較少，很多單位對(duì)離層水的認(rèn)知比較淺顯；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)分析，離層水形成需要一個(gè)過(guò)程，是一個(gè)采空區(qū)面積隨回采增加、隔水層巖層發(fā)生彎曲變形形成空腔、含水層水量向空腔匯聚、巖層超過(guò)形變極限發(fā)生斷裂、水量突然涌出的一個(gè)過(guò)程。

3）因此離層水的形成必須存在含水層、隔水層，分析煤層上部巖層性質(zhì)，是判斷離層水形成的一個(gè)重要手段；礦井地質(zhì)勘察階段、地質(zhì)補(bǔ)充勘探施工的鉆孔對(duì)分析離層水的形成有非常重要的意義[9]。本次研究的礦井和以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)分析，經(jīng)過(guò)水文孔等抽放水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，3 煤頂板泥巖為隔水層，砂巖為弱富水性含水層；結(jié)合煤層上部巖性，具備形成離層水的條件。根據(jù)已有回采結(jié)束的2 個(gè)工作面具體分析，工作面跨度大的，在回采結(jié)束3 個(gè)月后，采空區(qū)積水從密閉墻返水池流出；工作面跨度小的，回采結(jié)束接近一年采空區(qū)積水從密閉返水池流出；2 個(gè)工作面的頂板水都通過(guò)前期物探進(jìn)行探查，且進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，回采期間并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有水溢出，說(shuō)名頂板砂巖含水層為弱富水性，符合水文孔抽水試驗(yàn)結(jié)論，但是回采結(jié)束后采空水溢出，應(yīng)為含水層水匯聚產(chǎn)生，根據(jù)水量推測(cè)為離層水，但是發(fā)生的時(shí)間不一樣，主要的影響因素為以下幾方面：頂板巖性的硬度、工作面跨度、推采進(jìn)度、彎曲下沉帶的形成面積等。

3.2 超前鉆探形成導(dǎo)水通道

1）分析離層水形成的機(jī)理，結(jié)合形成要素才能對(duì)癥下藥，精準(zhǔn)治理，物探結(jié)果只能為我們提供富水異常區(qū)和構(gòu)造異常區(qū)的參考建議，但是卻沒(méi)有為我們提供因采動(dòng)影響而人為形成的水害，是必須要正視的問(wèn)題。

2）在現(xiàn)在已有的治理手段中，超前疏放是一個(gè)有效手段，但是離層水是因?yàn)椴蓜?dòng)過(guò)程中形成的，超前疏放就需要通過(guò)分析離層水形成的空間形態(tài)和空間位置；這就需要從三帶形成理論方面來(lái)分析了，離層水的形成主要就在彎曲下沉帶部位，因此我們這里最主要的任務(wù)就是分析彎曲下沉帶形成軸部位于工作面位置，并根據(jù)冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度來(lái)確定鉆孔施工層位，避免因遠(yuǎn)距離施工導(dǎo)致穿透其他強(qiáng)含水層，形成導(dǎo)水通道，給生產(chǎn)帶來(lái)重大影響。

3）只做物探而沒(méi)有綜合全面分析是片面的，更是不負(fù)責(zé)任的，物探、以往物探資料、三帶觀測(cè)資料、巖層分析等，缺一不可，要效益，我們更應(yīng)該要安全；以往地質(zhì)勘探資料為礦井開(kāi)采提供的是指導(dǎo)意見(jiàn)，高精度物探資料、報(bào)告，提供的則是精細(xì)化、準(zhǔn)確化的地質(zhì)資料，突水性危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)做出的總結(jié)針對(duì)的是全井田范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)，而針對(duì)某一工作面必須單獨(dú)進(jìn)行物探，這就是考慮地質(zhì)勘探的誤差性。對(duì)待水害治理如果只是疲于應(yīng)付，不能形成自己完整、科學(xué)的治理體系，是存在隱患的，成立專(zhuān)業(yè)的分析機(jī)構(gòu)是比不可少的，也是大勢(shì)所趨。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)辯證的看待礦井物探的多解性，即富水區(qū)在不同時(shí)期存在不同的階段特性，物探工作所獲取的資料是地層、構(gòu)造及賦存水體在靜態(tài)下的反映，而受到井下采掘活動(dòng)的影響，地應(yīng)力及地質(zhì)水文情況均會(huì)有不同程度的變化。

2）因物探資料與實(shí)際地質(zhì)資料不能結(jié)合分析，非但不能取得治理效果，反而會(huì)形成新的隱患，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害；新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用也必須配合新的理念，才能取得好的效果，對(duì)今后工程的施工都具有研究?jī)r(jià)值。

3）水害治理不是一個(gè)階段性的工作，而是長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的治理方式，水害形成的過(guò)程就是我們治理的過(guò)程；同一地點(diǎn)的水源經(jīng)過(guò)時(shí)間、空間的發(fā)酵，形成的水害類(lèi)型也是不一樣的[10]，先進(jìn)的治理理念和科學(xué)的治理手段充分應(yīng)用到災(zāi)害治理中，對(duì)煤礦開(kāi)采現(xiàn)階段具有十分重要的意義。