联合超前探测在钻孔布置的应用

常建军

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司， 山西 宁武 036700）

根据对一些老矿区水害事故的统计，掘进阶段发生的煤矿突水事故总数约占水害事故的65%，因此如何有效地预测预报掘进前方是否存在灾害性含导水地质构造对于煤矿水害的防治十分重要[1-2]。目前来看，矿井直流电法目前是煤矿生产中常用的超前探测技术，但随着综合机械化采掘方法的广泛采用，部分矿井巷道掘进进尺量可达30～50 m/d，仅靠单一探测方法已越来越难以适应当前生产任务要求[3]。并且直流电法受矿井条件的影响较大，导致信噪比降低，影响了探测精度，迫切需要两种探测方式同时进行探测[4-5]。本文根据对电磁物探的研究，集合矿井实际地质条件，提供了一种井下巷道内顺层超前探测含导水构造的联合探测技术。

1 矿井地质情况概述

老窑沟煤矿位于山西宁武，地处神头泉域，面积约5 316 km2，岩土层以砂岩、泥岩、黏土等为主。根据以往地质勘查，井田共揭露有55 条断层，1 个陷落柱，水文地质条件较为复杂。

目前矿井北部5 号煤开采受到奥灰水威胁，井田内断层较发育具有一定的导水性，存在沟通其它含水层之间的水力联系的可能，为矿井防治水工作带来了极大困难。现矿井502 机轨合一下山330 m入岩掘进时掘进头顶板开始有淋水，掘进至375 m迎头顶板淋水较大，严重影响巷道的安全掘进。当前掘进头顶板上覆太原组、山西组砂岩含水层，底板标高低于奥陶系灰岩水含水层水位，且掘进头前方断层构造发育，为了保障巷道掘进安全，防止掘进过程中奥灰水突出，必须采取物探、钻探超前探查及综合治理措施。

2 物探超前探及验证

本次联合物探采用井下直流电法和瞬变电磁法对掘进头前方100 m 范围内顶、底板低阻异常区进行探查，为钻探布置及注浆治理提供重要的参考依据。

2.1 物探超前探成果

根据本次井下电法勘探任务以及煤矿实际地质情况，在502 机轨合一下山Y8点前51 m 处进行直流超前和瞬变超前探测，直流超前采用三电极供电，探测迎头前方100 m。本次直流超前探测在迎头前方共发现3 处相对视电阻率低阻异常，编号为1、2 和3 号异常。1 号异常位于迎头前方14～18m（即Y8点前65～69 m）之间，该异常的范围4 m 左右，相对视电阻率值介于80～90之间；2 号异常位于迎头前方47～51 m（即Y8点前98～102 m）之间，该异常的范围4 m 左右，相对视电阻率值介于85～90之间；3 号异常位于迎头前方57～61 m（即Y8点前108～112 m）之间，该异常的范围4 m 左右，相对视电阻率值介于81～90之间。

图1 直流电法超前探测结果

瞬变电磁法采集仰角30°和60°、顺层、俯角30°和60°共5 个探测方向，最终探测结果见下页图2。在迎头前方仰角60°、仰角30°、顺层方向各发现1 处相对视电阻率低阻异常，在迎头前方俯角60°方向发现2 处相对视电阻率低阻异常，具体为：

图2 异常区域钻探验证示意图

1）仰角60°方向①号异常主要在迎头（Y8点前51 m）前方25～45 m，探测角度的左侧帮45°～右侧帮30°（与掘进方向的夹角）；

2）仰角30°方向①号异常主要在迎头（Y8点前51 m）前方25～45 m，探测角度的正前方°～右侧帮75°；

3）顺层方向①号异常主要在迎头（Y8点前51 m）前方20～50 m，探测角度的左侧帮15°～右侧帮15°；

4）俯角60°方向①号异常主要在迎头（Y8点前51 m）前方25～60 m，探测角度的左侧帮90°～右侧帮30°，②号异常主要在07 月19 日迎头（Y8点前51 m）前方60～80 m，探测角度的左侧帮15°～右侧帮15°。

2.2 物探超前探结果分析

根据联合探测的结果判断，直流电法可以实现迎头前方的快速物探，适用于大范围的井下物探，共发现3 处异常；而瞬变电磁法则凭借设备的灵活性，可以对复杂区域实现多角度的准确物探，细节处理能力更强，共发现5 处异常。进一步证明两种探测结果有相互补充的作用，对于物探异常区的探测有良好的针对性。

在掘进之前需进行超前钻探验证，并加强水文地质观测工作，需注意：

1）第一阶段的掘进控制在70 m 以内，严查并记录顶底板涌水情况；

2）掘进过程中要配备不小于100 m3/h 的排水能力的排水设施，当掘进头涌水量大于20 m3/h，需要停止掘进作业并汇报调度中心，查明涌水水源后进行下一步作业。

3 钻孔超前探查工程

3.1 钻孔布置概况

因掘进头巷道高度限制，大角度钻孔施工加钻高度不够，无法大规模施工，老窑沟煤矿对钻孔布置进行了详细设计，共计钻孔17 个。其中，底板钻孔5个，主要作用在于查清巷道底板下6 m 范围内富水异常区并指导注浆治理工作，编号为T9～T12 和XT4；顶板钻孔12 个，于，编号F1-F3,、D1-D9 以及XD1，用于对断层破碎带5 号煤顶板砂岩含水层进行探查治理，切断奥灰水的导水通道，见图3。

图3 钻孔剖面布置图

3.2 钻孔成果

17 个探查孔均口径均为146 mm，约钻进10 m左右，揭露巷道顶底板岩性发现主要以煤、泥岩为主，其次为砂岩。其中，钻孔均出现大小不等的涌水，水量最小0.1 m3/h，最大8 m3/h，水压均为0.2 MPa，水温在5～7 ℃。共计9 个钻孔发生孔内塌孔、缩径、不返水或者返水小，说明502 机轨合一下山巷道受断层构造影响，顶底板比较破碎。T9 钻孔在出煤层后发生涌水，说明5 号煤底板下砂岩有一定的富水性。

3.3 异常区钻探验证情况

17 个探查孔在钻探过程中，均有不同程度的涌水出现，其中8 个钻孔涌水点位置在13～18 m，与直流电法勘探1 号异常区吻合；XT4、T10 孔49～55 m发生涌水，验证了物探2 号异常区；T11、T12 孔60～70 m 发生涌水，验证了物探3 异常区。通过钻探对联合探测技术的验证，揭示物探超前探查结果准确度较高，对矿井防治水具有一定的指导意义。

4 结语

老窑沟煤矿对掘进巷道使用了直流电法超前探、瞬变电磁法超前探的联合钻探技术，并在502 机轨合一下山迎头共计施工验证钻孔17 个，其中顶板孔12 个，底板孔5 个，钻探工程量1 448.5 m，结果基本吻合。在钻探施工过程中，对孔内涌水点的“水量、水温、水压”进行了测量，并采集化验了13 组水样。对发生涌水的钻井进行了注浆，对没有涌水的钻孔注浆封堵，总注浆量累计84.5 t。证明联合探测技术对于地质条件复杂的矿井优很好的探测效，并对钻孔的布置和注浆的方案制定有很好的参考意义。