0 引言
煤矿水害成因主要包括顶板破碎或裂隙发育与河湖底或强含水层连通、采空区严重积水、断层或断裂带与地下水连通、隔水煤(岩)柱强度不够等。煤矿水害往往造成重大人员伤亡和财产损失，严重威胁安全生产[1-2]。开展开采前水害探测与防治，对保障工作面安全生产和矿工人身安全至关重要。针对水害威胁严重的矿井，应坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则[3]，采用复合勘探技术探查工作面富水性异常区，即先利用物探技术及装备对采煤工作面和掘进工作面前方地质条件进行综合勘探和评价，划分出影响开采的各种地质异常，再以钻探手段针对水害隐蔽致灾因素进行验证，从而为矿井采掘工程设计提供依据[4]。
目前应用于煤矿工作面水害探查的复合勘探技术主要以常规回转钻进成孔方法为钻探手段，例如:李璐[5]采用地面瞬变电磁法在金辛达煤业有限公司11102工作面探查出异常区后，设计了18个深度为120～152 m的常规钻孔进行验证；侯俊华等[6]在东滩煤矿14317工作面开展矿井物探后，设计了14个深度小于115 m的常规钻孔进行验证。该方法需要施工的钻孔数量多、工作量大，且施工过程中钻杆弯曲变形、孔内地层变化、钻进工艺参数改变等会导致钻孔发生偏斜[7]。当偏斜较大时，可能会造成探水决策失误，从而给巷道掘进或煤层开采带来安全隐患。针对该问题，本文提出一种基于定向钻进的复合勘探技术，并将其应用于某煤矿工作面水害探测，从而为工作面水害防治提供依据。
1 复合勘探技术
基于定向钻进的复合勘探技术综合应用矿井物探和定向钻进技术，先采用物探技术进行区域探查，圈出异常区，再施工精确定向钻孔进行验证，具有探测精度高、工程量少、综合成本低等优点。
1.1 矿井物探技术
矿井物探技术具有覆盖区域广、综合成本低等特点。目前常用的物探技术有地震勘探、瞬变电磁探测、瑞利波探测、音频电透、井下微震监测、地质雷达探测等[8]。其中矿井音频电透技术具有普适性强、探测仪器轻便灵活、透视距离大、抗干扰能力强等特点，是工作面内探测异常体的有效手段[9]。该技术基于地下各种岩体之间存在的电性差异影响人工电场分布形态的原理，对煤层底板的含/导水陷落柱进行探查，效果较好[10-11]。因此，采用矿井音频电透技术进行物探。
1.2 定向钻进技术
采用煤矿井下定向钻进技术实现钻探。该技术采用孔底马达(以高压冲洗液为传递动力介质)作为动力钻具，配备随钻测量系统、中心通缆钻杆、泥浆泵、钻头等装备，实时检测钻孔倾角、方位角并控制钻孔轨迹，使钻孔轨迹在目标层位精确延伸，并可实现分支孔钻进[12-13]，具有钻孔精确、钻进效率高、工程量少、综合成本低等优点，广泛用于煤矿井下瓦斯抽采、地质异常体探测等领域[14-15]。煤矿井下定向钻进系统组成如图1所示。
图1 煤矿井下定向钻进系统组成
Fig.1 Composition of directional drilling system in coal mine underground
2 现场应用
2.1 矿井水文地质条件
某煤矿位于内蒙古自治区准格尔旗，井田总构造为具有波状起伏的近南北走向，其主采煤层6煤底板下为强富水的奥灰含水层，奥灰水位标高为+868.8～+872.7 m，工作面煤层底板距奥灰含水层顶界面约55 m，煤层底板隔水层承受奥灰水压力1.2 MPa，突水系数小于临界值(0.06 MPa/m)。底板隔水层厚度大、突水系数低，在煤层底板完整的情况下，可以安全带压开采。但在工作面采动影响范围内发育有导水断层或导水岩溶陷落柱时，存在奥灰水以断层、陷落柱为导水通道突入矿井造成事故的风险，对煤层开采形成严重威胁[16-17]。
2.2 施工组织
基于矿井音频电透技术对工作面底板下岩层富水性进行探查时，采用单极-偶极的施工装置，发射极距和接收极距分别设定为50，10 m。双巷道共布置44个不对称发射点，每个发射点对应15～25个接收点，通过音频电穿透仪采集4 140个数据。
采用定向钻进技术在工作面施工12个主孔、8个分支孔，如图2所示，从而探查工作面切眼附近6煤底板下35～40 m段隔水层范围内的构造发育及水文地质情况，并对探查区进行注浆加固，封堵导水通道。定向钻进装备见表1。
图2 工作面定向钻孔布置
Fig.2 Distribution of directional boreholes on working face
表1 定向钻进装备
Table 1 Directional drilling devices
钻孔设计三级孔身结构，如图3所示。一级孔身用于下入孔口管，安装孔口控水闸阀；二级孔身用于穿过泥岩、9上煤、9下煤等不稳定地层，保障钻孔施工安全；三级孔身为定向孔段，钻孔弯曲按设计轨迹钻进，对富水性异常区进行探查。
图3 钻孔结构
Fig.3 Borehole structure
2.3 勘探结果与分析
矿井音频电透三维反演成像结果如图4所示。经分析可发现在切眼附近存在一个明显的低视电阻率(低阻)异常区，大小为95 m×45 m，工作面内发育范围为现有切眼位置向东80 m、回风巷向南110 m，且该区域在底板下0～80 m范围内均有发育，为垂向联通的低阻异常区。
图4 矿井音频电透三维反演成像结果
Fig.4 3D inversion imaging result of mine audio-frequency electric penetration
在回风巷9号钻场内向底板低阻异常区施工3个定向探查钻孔D1，D1-1，D2进行勘探验证，如图5所示。钻孔水平段垂深距6煤底板35 m，水平间距为40 m。施工过程中观测钻孔涌水量，并取水样进行水质化验。定向探查钻孔涌水量曲线如图6所示。可看出钻孔施工未进入低阻异常区时，D1，D1-1，D2孔的涌水量均小于10 m3/h；钻孔进入低阻异常区后，涌水量出现不同程度的增加，3个钻孔的终孔涌水量分别达60，68，51 m3/h。
图5 定向探查钻孔平面轨迹
Fig.5 Plane trajectories of directional detecting boreholes
图6 定向探查钻孔涌水量曲线
Fig.6 Water gushing curves of directional detecting boreholes
D1孔孔深633 m，钻孔施工至474 m时涌水量由之前的6.5 m3/h突变为25 m3/h，施工至534 m时突变为40 m3/h，此时出水点位于低阻异常区内，检测水中Cl-含量为268.25 mg/L。D1-1孔孔深606 m，钻孔施工至417 m时涌水量由之前的10 m3/h突变为25 m3/h，施工至474 m时由之前的30 m3/h突变为72 m3/h，此时出水点距低阻异常区46.5 m，检测水中Cl-含量为315.58 mg/L。D2孔孔深639 m，钻孔施工至492 m时涌水量由之前的11 m3/h突变为35 m3/h，此时出水点距低阻异常区63 m，检测水中Cl-含量为492.69 mg/L。
与工作面6-3顶板砂岩定向放水孔(孔深609 m，终孔涌水量为99 m3/h，水中Cl-含量为175.54 mg/L)相比，定向探查钻孔水中Cl-含量偏高。经过近5个月的放水观测，6-3孔水中Cl-含量最大值为244 mg/L，D1-1孔水中Cl-含量缓慢增长至514 mg/L(最大值为589 mg/L)，D2孔水中Cl-含量缓慢增长至542 mg/L。现场观测发现，9号钻场放水量超过120万m3时，仍未观测到明显的涌水量衰减，显示钻孔揭露的涌水存在较稳定的补给源。根据工作面垂直向下施工的qt3钻孔水中Cl-含量(图7)，钻孔进入低阻异常区后，水中Cl-含量增大。而矿井奥灰水Cl-含量较高、顶板砂岩水Cl-含量较低，因此判断存在奥灰水向低阻异常区补给。
图7 qt3钻孔水中Cl-含量
Fig.7 Cl-content in water from qt3 borehole
综合分析矿井物探、钻探结果，确定低阻异常区为导水奥灰岩溶陷落柱，并圈定其在工作面中的位置，如图8所示，其中等值线为视电阻率，Ω·m。为保证工作面安全生产，在进行必要的注浆加固措施后，重新施工切眼，有效避免了因工作面开采揭露导水陷落柱可能造成的突水事故。
图8 导水奥灰岩溶陷落柱与新开切眼位置
Fig.8 Locations of water-conductive collapse column of Ordovician limestone karst and new open-off cut
3 结论
(1)复合勘探技术采用矿井音频电透技术探测出某矿综采工作面切眼附近存在低阻异常区，采用定向钻进技术直接揭露工作面富水区，通过观测定向探查钻孔涌水量并化验钻孔涌水水质，判断低阻异常区为导水奥灰岩溶陷落柱，并圈定了其在工作面内的延展状态和边界。
(2)根据复合勘探结果，指导更改切眼位置，有效消除了因工作面开采揭露导水陷落柱导致突水事故的安全隐患。
(3)复合勘探技术综合运用了矿井物探、定向钻探和综合化探技术，为实现工作面水害隐患的准确探查与判定提供了新思路。
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