金寶屯煤礦綜采工作面頂板水物理探測(cè)研究

王　新

(遼源礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司金寶屯煤礦)

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金寶屯煤礦綜采工作面頂板水物理探測(cè)研究

王新

(遼源礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司金寶屯煤礦)

摘要金寶煤礦綜采工作面開采過(guò)程中頂板出現(xiàn)多次淋水，影響了礦井的安全生產(chǎn)。為尋找水源位置，采用井下瞬變電磁探測(cè)方法對(duì)工作面及回采巷道頂板進(jìn)行了探測(cè)。結(jié)果表明，工作面頂板上覆礫巖中局部含有少量積水，積水沿采動(dòng)裂隙流至工作面；由于工作面傾角的影響，發(fā)生淋水的位置集中在距運(yùn)輸順槽30～60 m的工作面。探測(cè)結(jié)果為合理確定探放水措施提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞頂板淋水瞬變電磁法電導(dǎo)率高阻異常

工作面異常涌水嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)，是礦井的重大安全隱患之一。瞬變電磁法在工作面涌水探測(cè)中發(fā)揮了重要作用，可主要解決諸如含水構(gòu)造、異常富水區(qū)等地質(zhì)問(wèn)題。瞬變電磁法在探測(cè)過(guò)程中具有布極范圍小、非接觸布極方式不受接地條件約束、探測(cè)距離長(zhǎng)、測(cè)試效率高等特點(diǎn)，因在井下有限空間內(nèi)應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)該方法在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快。許多學(xué)者在瞬變電磁探測(cè)機(jī)制、數(shù)據(jù)采集、干擾因素控制、反演算法、結(jié)果成圖等方面做了大量的研究[1-11]，取得了良好的研究成果。本文以金寶屯礦N211區(qū)工作面為研究對(duì)象，采用瞬變電磁法探測(cè)工作面，確定工作面涌水來(lái)源，為制定涌水治理方案提供依據(jù)。

1工作面概況

金寶屯礦N211區(qū)工作面為近水平煤層，平均傾角為3°，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于單一煤層，厚2.3～2.6 m，平均為2.5 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤法。煤層直接頂為泥巖，厚0.7～2.2 m，極易冒落；基本頂為粉砂巖，厚16.8～37.7 m；底板為泥頁(yè)巖互層，厚22.5～37.1 m，遇水膨脹。煤層綜合柱狀圖見圖1。

N211區(qū)工作面開采過(guò)程中，局部頂板淋水，目前累計(jì)涌水6次，涌水量共計(jì)約1 800 m3。工作面推進(jìn)到60～73 m，頂板第一次出現(xiàn)涌水，總涌水量為72.73 m3，此區(qū)間為工作面頂板初次垮落。工作面在60～241.5 m推進(jìn)，頂板出現(xiàn)4次較大的涌水情況，支架后方采空區(qū)出水2次，每次出現(xiàn)涌水前，工作面頂板礦壓顯現(xiàn)非常明顯，如煤壁片幫、頂板破碎、支架淌矸、局部架子出現(xiàn)響聲和下沉量瞬間增大等。具體工作面涌水情況和礦壓顯現(xiàn)情況見表1。可以看出，工作面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象之前，礦壓顯現(xiàn)特別明顯，并伴隨工作面周期來(lái)壓，但并不是每次工作面周期來(lái)壓都會(huì)出現(xiàn)頂板涌水現(xiàn)象；工作面頂板涌水區(qū)域除基本頂初次來(lái)壓期間距運(yùn)輸順槽110～120 m以外，其他頂板涌水區(qū)域多位于距運(yùn)輸順槽10～60 m；支架后方采空區(qū)出水多位于距運(yùn)輸順槽50 m以內(nèi)。

圖1　煤層綜合柱狀圖

2井下瞬變電磁探測(cè)原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱TEM)屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是在發(fā)送回線上提供一個(gè)電流脈沖方波，一般利用方波電流關(guān)閉的瞬間產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次磁場(chǎng)；在一次場(chǎng)的激勵(lì)下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度；一次場(chǎng)消失后,該渦流不會(huì)立即消失，將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程，該過(guò)渡又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地表傳播，由地面的接收回線接收，二次磁場(chǎng)的變化將反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。

表1　工作面涌水情況統(tǒng)計(jì)

本次探測(cè)采用YCS150型礦用本安型瞬變電磁儀，它是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性為主要物性基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)觀測(cè)和研究電磁場(chǎng)的時(shí)間和空間分布規(guī)律，來(lái)尋找地下有用礦產(chǎn)資源和解決地質(zhì)、環(huán)境工程等問(wèn)題的一種電法勘探儀器。儀器由主機(jī)、發(fā)射線框、接收線圈組成(圖2)，通過(guò)在井下采集探測(cè)地點(diǎn)的電壓(μV)-時(shí)間(μs)的衰減變化數(shù)據(jù)，利用電阻率晚期計(jì)算(全區(qū)計(jì)算)公式反演得到圍巖視電阻率(Ω·m)-深度(m)的扇形等值線分布圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)與工程資料，解譯異常體。

圖2　礦用本安型瞬變電磁儀裝置

3瞬變電磁探測(cè)方案

本次探測(cè)區(qū)域?yàn)镹211區(qū)回采工作面及兩順槽。工作面中進(jìn)行剖面探測(cè)，分別在169#、139#、109#、79#、60#、41#、36#、16#支架處進(jìn)行探測(cè)，向工作面?zhèn)软敯暹M(jìn)行探測(cè)。測(cè)試以與煤壁法線呈45°為起始角度，以15°為間隔，按逆時(shí)針?lè)较蛱綔y(cè)，共計(jì)測(cè)試7個(gè)角度，分別是45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°，最終獲得扇形剖面。測(cè)試中探測(cè)線框的移動(dòng)方式見圖3。

圖3　工作面瞬變電磁探測(cè)線框布置

順槽中進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量(圖4)，連接各點(diǎn)形成探測(cè)剖面，每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)方向垂直巷道頂板，測(cè)點(diǎn)間距為12 m。探測(cè)起始點(diǎn)為工作面停采線。運(yùn)輸順槽探測(cè)距離為504 m，共43個(gè)點(diǎn)，回風(fēng)順槽探測(cè)距離為492 m，共42個(gè)點(diǎn)。

圖4　工作面順槽瞬變電磁探測(cè)線框布置

4探測(cè)結(jié)果及分析

煤層采空區(qū)垮落帶與完整地層相比，巖性變得疏松，密實(shí)度降低，其內(nèi)部充填的松散物的視電阻率明顯高于周圍介質(zhì)，在電性上表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)裂隙帶與完整地層相比，巖性沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，但由于裂隙帶內(nèi)巖石的裂隙發(fā)育，裂隙中的充入空氣致使導(dǎo)電性降低，在電性上也表現(xiàn)為高阻異常；煤層采空區(qū)垮落帶和裂隙帶若有水注入，使得松散裂隙區(qū)充盈水分達(dá)到飽和的程度，會(huì)引起該區(qū)域的電導(dǎo)率迅速增加，表現(xiàn)為視電阻率值明顯低于周圍介質(zhì)，在電性上表現(xiàn)為低阻異常。這種電性變化為瞬變電磁法提供了地球物理應(yīng)用前提。

考慮儀器本身盲區(qū)及探測(cè)環(huán)境(液壓支架、采煤機(jī)等金屬及雜散電流)的影響，探測(cè)有效深度確定為30～80 m，其他區(qū)域不做分析。

圖5為169#支架處瞬變探測(cè)結(jié)果，探測(cè)位置處于工作面上端頭(回風(fēng)順槽側(cè))，電阻率等值線圖中無(wú)明顯高阻異常區(qū)域，說(shuō)明頂板離層破壞不充分。在頂板35～40 m分布有低阻異常，電阻率為10～35 Ω·m，推測(cè)為頂板礫巖濕潤(rùn)、含少量水導(dǎo)致。

圖5　169#支架處探測(cè)結(jié)果

圖6～圖9為139#、109#、79#、60#支架處瞬變探測(cè)結(jié)果。可以看出，以逆時(shí)針?lè)较?0°(以“0”為圓心)為分界，工作面超前斜上方(以“0”為圓心逆時(shí)針?lè)较?5°、60°、75°)等值線高阻異常區(qū)域范圍明顯小于工作面斜后方(以“0”為圓心逆時(shí)針?lè)较?0°、105°、120°、135°)等值線高阻異常區(qū)域，說(shuō)明工作面后方采空區(qū)垮落充分，工作面超前范圍發(fā)生離層，高阻異常區(qū)電阻率為49～70 Ω·m。在頂板35～40 m分布有低阻異常，電阻率為10～30 Ω·m，推測(cè)為頂板礫巖濕潤(rùn)、含少量水導(dǎo)致，頂板上方無(wú)明顯積水區(qū)。

圖6　139#支架處探測(cè)結(jié)果

圖7　109#支架處探測(cè)結(jié)果

圖8　79#支架處探測(cè)結(jié)果

圖9　60#支架處探測(cè)結(jié)果

圖10、圖11為41#、36#支架處瞬變探測(cè)結(jié)果。可以看出，工作面超前斜上方(逆時(shí)針?lè)较?5°、60°、75°)等值線分布密集，說(shuō)明頂板沒(méi)有發(fā)生離層破壞。工作面斜后方(逆時(shí)針?lè)较?0°、105°、120°、135°)等值線出現(xiàn)條帶形高阻異常，推斷該異常為頂板巖層發(fā)生的離層破壞，條帶范圍為頂板上方45～50 m，此范圍為含水礫巖。其中41#、36#支架處離層破壞區(qū)域的上部分布較大范圍的低阻異常，電阻率為10～15 Ω·m，推斷該區(qū)域內(nèi)含水，且水量較大，實(shí)際生產(chǎn)中此范圍工作面出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

圖10　41#支架處探測(cè)結(jié)果

圖12為16#支架處瞬變探測(cè)結(jié)果，探測(cè)位置處于工作面下端頭(運(yùn)輸順槽側(cè))，電阻率等值線圖中無(wú)明顯的高阻異常區(qū)域，說(shuō)明工作面端頭處頂板離層破壞不明顯。測(cè)試結(jié)果顯示，頂板上部無(wú)明顯積水區(qū)。

圖13為工作面運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽內(nèi)頂板電阻率測(cè)試結(jié)果。可以看出，兩順槽的頂板局部區(qū)域內(nèi)分布有低阻異常區(qū)域，低阻異常區(qū)域位于頂板上部40～60 m。回風(fēng)順槽內(nèi)在距工作面結(jié)束線290～490 m頂板中分布有明顯的含水區(qū)域，運(yùn)輸順槽內(nèi)在距工作面結(jié)束線110～190 m、360～480 m頂板中分布有明顯的含水區(qū)域。開采至以上區(qū)域時(shí)要重點(diǎn)進(jìn)行探放水工作。

圖11　36#支架處探測(cè)結(jié)果

圖12　16#支架處探測(cè)結(jié)果

圖13　回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽垂直頂板探測(cè)結(jié)果

總結(jié)上述探測(cè)結(jié)果可知，距工作面及回采順槽頂板40～50 m為集中含水區(qū)，對(duì)比工作面綜合柱狀圖可知，該范圍分布有礫巖。瞬變電磁探測(cè)后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了地質(zhì)鉆孔，最終確定礫巖中含水，證實(shí)了此次井下瞬變電磁探測(cè)的準(zhǔn)確性。

5結(jié)論

(1)含水層主要集中在頂板上方約40 m的砂礫巖，礫巖中水為工作面涌水的主要來(lái)源，水量較小。

(2)工作面頂板淋水特征與工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)。在工作面發(fā)生周期來(lái)壓期間，頂板運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，易發(fā)生頂板涌水；工作面中部頂板離層破壞明顯，成為主要導(dǎo)水通道。

(3)受工作面傾角的影響，工作面淋水位置多集中在距運(yùn)輸順槽30～60 m，是防水的重要區(qū)域。

(4)工作面順槽頂板局部區(qū)域存在含水層，但順槽頂板受工作面開采影響較小，不易發(fā)生涌水。

(5)探測(cè)結(jié)果為確定鉆孔探放水方案提供基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

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(收稿日期2015-11-12)

王新(1980—)，男，工程師，028115 內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗查日蘇鎮(zhèn)烏蘭村。