综采工作面底板物探异常区检验孔施工设计及效果评价

综采工作面底板物探异常区检验孔施工设计及效果评价
宋亚亚;王辉
【摘要】为了确保矿井的安全生产,根据云盖山一矿22204工作面底板抽放巷瞬变电磁探测视电阻率值,预测在此次瞬变电磁探测范围内,探测出B级富水异常区2个,G级高阻畸变区3个,然后对综采工作面底板物探异常区检验孔进行施工设计,初步设计钻场5个,设计钻孔10个,钻探进尺1160 m,来验证22204综采工作面瞬变电磁勘探报告探测的底板异常区,然后根据检验结果,对物探异常区附近进行注浆加固,封堵导水通道,加强隔水层强度,使含水层变为弱含水层或隔水层,确保工作面回采安全.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2018(040)012
【总页数】5页(P103-107)
【关键词】综采工作面;底板物探异常区;瞬变电磁勘探;检验孔;施工设计;效果评价【作者】宋亚亚;王辉
【作者单位】河南永锦能源有限公司云盖山煤矿一矿,河南禹州 461670;河南永锦能源有限公司云盖山煤矿一矿,河南禹州 461670
【正文语种】中文
【中图分类】TD745.2
0 引言
国内外学者对综采工作面底板物探异常区检验孔施工设计及效果评价进行了大量的研究，刘宁[1]对阳煤五矿8136工作面水文物探异常区钻孔设计进行了研究，设
计采用网络并行电法、井下无线电坑道透视法、矿井瞬变电磁法等物探手段对8136工作面水文异常区进行了探测工作；史先志等[2]对陈四楼煤矿21109综采
工作面底板灰岩水治理技术进行了研究，采用底板扰动破坏深度数值模拟，然后采用BP神经网络的底板扰动破坏深度模型等方法，对21109综采工作面底板扰动
破坏深度进行了预测，对底板注浆改造钻孔进行了优化设计。

1 工程概况
1.1 工作面概况
22204综采工作面位于22采区西翼，北邻22202综采工作面采空区，南邻22206综采工作面(未掘进)，西部为薄煤带，东部为矿井行人暗斜井、副暗斜井、主暗斜井及回风暗斜井。

22202综采工作面走向长1 321.7 m、倾斜长146.5 m，工作面标高-52.2～-131.4 m，对应地面标高+350～+520 m。

该工作面开采煤层为二叠系山西组的二1煤，预计煤层平均厚度5.4 m，可采储量约116万t。

1.2 构造及二1煤层赋存情况
22204综采工作面地层总体呈倾向NE 40°～50°的单斜构造，倾角14°～28°，平均倾角21°。

工作面整体呈两端高、中间低的宽缓向斜形态，局部发育小褶曲，工作面内发育断层较多，共10条，均为正断层，落差不大于5 m，断层附近煤层赋存不稳定，煤层厚度变化较大，巷道顶板较破碎。

根据22204运输巷、22204综采工作面切眼及22204回风巷实际揭露情况，工
作面内煤层厚0.4～16.0 m，平均厚5.4 m。

工作面内煤层整体赋存较稳定，局部存在厚煤区域、薄煤区域、煤层夹矸以及分层现象。

22204综采工作面回采范围内无岩浆岩体、无陷落柱、无冲击地压、地热梯度异
常等特殊地质构造。

总体上该工作面地质构造属于中等。

1.3 工作面水文地质情况
根据22204回风巷和22204运输巷等巷道实际揭露情况，预测该工作面内水文地质条件简单。

22204综采工作面直接充水水源为二1煤层顶板砂岩裂隙水，根据矿井生产地质报告显示，该含水层的钻孔单位涌水量0.010 8～0.073 9 L/(s·m)，富水性弱，回采时会受少量煤层顶板淋水的影响，但是不会影响回采工作面的正常回采。

间接充水源为二1煤层底板太原组下段灰岩水和寒武系灰岩水，二1煤层底板与寒武系灰岩平均距离为69 m、与太原组下段灰岩平均距离为47 m。

根据矿井-23 m水平及-150 m水平寒武系灰岩含水层及太原组下段灰岩含水层水文观测钻孔数据显示，矿井寒武系灰岩含水层水位标高+67.6 m，太原组下段灰岩含水层水位标高为+37.5 m。

回采范围内巷道底板标高为-52.2～-131.4 m，按照《煤矿防治水规定》突水系数计算公式得：寒武系灰岩含水层突水系数T=0.027 8～0.039 3 MPa/m，巷道底板太原组下段灰岩含水层突水系数T=0.029 7～0.046 6 MPa/m。

就实际资料分析，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段突水系数不大于0.1 MPa/m，22204回采范围内为非突水危险区，工作面不受底板水害威胁。

工作面北侧的22202综采工作面老空区内积水已进行疏放，目前动态补给水量为3～5 m3/h，已在22202底抽巷650 m处打设疏放孔对22202综采工作面的老空水进行疏放，回采期间要加强观测疏放孔的水量，防止疏放孔堵塞。

2 底板物探异常区检验孔设计方案
云盖山一矿22204工作面底板抽放巷瞬变电磁探测视电阻率值[3-6]如图1所示。

此次瞬变电磁探测范围内，根据22204底板抽放巷瞬变电磁勘探视电阻率值图1可知，探测出B级富水异常区2个，G级高阻畸变区3个。

5个异常区范围内22204底抽巷顶板距二1煤层间距为18.0～27.5 m，探测出22204低阻异常区B1富水异常区深度在底板抽放巷底板下58～90 m(二1煤层
底板下74～106 m)；22204低阻异常区B2富水异常区深度在底板抽放巷底板下62～90 m(二1煤层底板下76～104 m)；22204高阻异常区G1富水异常区深度在底板抽放巷底板下45～90 m(二1煤层底板下60～125 m)；22204高阻异常
区G2富水异常区深度在底板抽放巷底板下40～90 m(二1煤层底板下60～130 m)；22204高阻异常区G3富水异常区深度在底板抽放巷底板下40～90 m(二1
煤层底板下60～126 m)。

初步设计钻场5个，设计钻孔10个，钻探进尺1 160 m。

由于G1-1号孔出水达到20 m3/h，为进一步验证G1-1号孔附近异常区域情况，补充施工钻孔2个
(G1-3、G1-4)，累计钻探进尺140 m。

G1-3出水量为0，注浆量0.5 t；G1-4出水量0.6 m3/h，注浆量0.5 t，累计施工钻孔12个，总钻探进尺1 242 m。

补充钻孔施工加密了该异常区域钻孔的布置。

22204综采工作面物探异常区验证孔主
要验证22204综采工作面瞬变电磁勘探报告探测的底板异常区，以进一步探明异
常区水文地质情况，对异常区附近进行注浆加固，封堵导水通道，加强隔水层强度，使含水层变为弱含水层或隔水层，确保工作面回采安全。

图1 工作面底板抽放巷瞬变电磁探测视电阻率值Fig.1 Apparent resistivity value of electromagnetic detection in floor drainage roadway of working face
3 钻探工程施工设计
22204综采工作面物探异常区检验孔施工工程于2018年3月28日至5月9日由探放水队施工，工程历时41 d，共施工钻孔12个，钻探工程量1 242 m，注浆7.4 t。

根据工作面施工情况结合水文地质情况及物探情况，22204综采工作面物
探异常区检验孔参数见表1。

表1 综采工作面物探异常区检验孔参数Tab.1 Drilling parameters for inspection hole construction in geophysical anomaly area of fully-
mechanized working face孔号方位/(°)倾角/(°)套管尺寸终孔/m垂深/m封孔注浆量/tG3-1256-25.021.0 mϕ108 mm11046.40.75G3-2219-29.020.0 mϕ108 mm10048.50.45G2-121-25.021.5 mϕ108 mm12050.71.00G2-258-30.020.0
mϕ108 mm10550.90.55G1-116-30.020.8 mϕ108 mm6231.01.20G1-259-28.020.0 mϕ108 mm12056.21.05B2-1219-33.020.8 mϕ108
mm13070.80.90B2-2214-35.020.8 mϕ108 mm12571.71.10B1-164-31.520.8 mϕ108 mm11058.00.90B1-258-29.020.8 mϕ108 mm12058.21.05G1-3308-40.020.8 mϕ108 mm7045.00.95G1-4273-35.019.8 mϕ108 mm/30.7 mϕ89 mm7040.21.40
综合表1分析整个工作面钻孔施工情况。

从钻孔出水情况可知，出水钻孔8个，
未出水钻孔4个，分别占总钻孔数量的66.7%、33.3%。

其中出水量0～5 m3/h
的钻孔6个(占总钻孔的50%)，出水量5～10 m3/h的钻孔1个(占总钻孔的
8.3%)，出水量10～15 m3/h的钻孔0个，出水量15～20 m3/h的钻孔1个(占总钻孔的8.3%)。

单孔最大出水量钻孔个数统计情况如图2所示。

图2 单孔最大出水量钻孔个数统计柱状Fig.2 Drilling number statistical column ofsingle hole maximum water output
从注浆情况分析，单孔注浆量最小0.4 t，最大0.8 t，平均单孔注浆量0.6 t。

通过分析钻孔单孔最大出水量与单孔注浆量关系(图3)，发现钻孔出水量与注浆量呈正
向相关关系，钻孔出水量大，注浆量增大，反之，钻孔出水量小，注浆量减小。

图3 钻孔单孔最大出水量与单孔注浆量关系Fig.3 Relationship between maximum water output per hole and single hole grouting
根据物探结果，针对上述探测异常区进行重点布孔控制，具体钻孔施工情况见“钻探工程施工总结及分析”。

对物探异常区附近进行注浆加固，底板含水层导水裂隙被有效充填，含水层在水平方向上的联通性被切断，深部岩石裂隙已得到有效加固，
浅部砂岩含水层与深部水源不存在水力联系。

4 物探异常区检验孔施工效果评价
(1)工作面所有施工钻孔经验收，钻孔倾角、方位角、孔深、注浆量、封孔效果等满足设计要求，钻孔布置合理，物探异常区、出水钻孔附近进行补充钻孔验证和加固，落孔间距和层位满足要求。

对物探异常区附近含水层裂隙进行了有效充填，导水裂隙进行了有效加固。

加强了隔水层强度，使含水层变为弱含水层或隔水层。

该工作面实测寒武系灰岩含水层孔口水压最大值为2 MPa，根据突水系数计算公式[7-10]：
T=P/M
式中，T为突水系数；P为隔水层底板承受的水压；M为底板隔水层厚度，取加固深度45 m。

计算该工作面突水系数T=0.054 MPa/m。

经计算，该工作面经底板物探异常区检验孔施工后突水系数小于0.06 MPa/m，工作面无突水威胁，能够保证工作面安全回采。

(2)根据工作面物探结果，针对异常区进行布孔控制。

在物探异常区、出水钻孔附近等，补充钻孔2个，经钻探验证，钻孔施工效果良好。

(3)根据22204综采工作面底板物探异常区检验钻孔布置、钻孔实际出水量、注浆量、物探结果及后期钻探验证效果分析，该工作面整体底板砂岩含水层及寒武系灰岩含水层的富水性一般，水文地质条件中等。

5 工作面回采涌水量分析及排水系统设置
(1)工作面回采涌水量分析。

根据22204综采工作面水文情况分析，结合工作面底板物探异常区检验孔的钻注浆情况和物探结果分析，在二1煤层底板物探异常区附近进行注浆加固，对含水层裂隙进行了有效充填，对导水裂隙进行了有效加固。

回采期间工作面水量主要以煤层顶、底板砂岩水为主。

预计工作面里段回采期间工
作面正常涌水量10～20 m3/h，最大涌水量40 m3/h。

(2)工作面排水系统设置。

根据工作面回采涌水量分析情况，22204综采工作面回
采期间需在22204回风巷低洼处挖设临时水仓，水仓内安设BQS50-30-7.5/N型排水泵，排水泵外接排水管(φ108 mm)，排至22202底板抽放巷800 m处水仓，再由水仓中的MD85-45×4型多级离心泵，经φ108 mm排水管排至22202底板抽放巷车场水沟内，然后经副暗斜井、-150 m车场的水沟，流入-150 m水仓，
经-150 m泵房排至地面。

22204综采工作面需在运输巷低洼处挖设临时水仓，经FQW40-20型风泵外接φ108 mm排水管将积水排至运输巷3号水仓内，经FQW40-20型风泵外接排水管将积水排至运输巷2号水仓内，经1台BQS40-100-30N型、1台BQS50-25-7.5型排水泵(一用一备)外接排水管进行排水，积
水经22204运输巷回风联络巷排至-126 m石门水沟内，水自流至-126 m车场、副暗斜井、-150 m车场的水沟，流入-150 m水仓。

另外，巷道内准备1台
FQW40-20型风泵，工作面喷雾、降尘时产生的水利用风泵排水。

排水泵必须实
现双泵双电源，具备排水条件。

巷道水仓必须保证及时清挖。

6 结论
(1)该工作面已进行底板物探异常区检验孔验证，基本消除工作面底板物探异常区
含水层的突水威胁。

(2)工作面配备与预测涌水量相适应的排水泵及排水管路，保障双电源供电，确保
排水设备运转正常；加强排水系统的检修维护，确保备用水泵数量；及时清理水沟、水仓；做好排水管路的定期检查，防止排水管路淤堵。

(3)工作面回采前，注意22202底抽巷疏水孔出水情况，适时安排透孔，防止采空区内形成二次积水。

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