瞬變電磁法探測帶壓開采工作面突水性的分析研究

王晉偉

(山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局,太原 030012)

1 瞬變電磁探測實例

1.1 工作面水文地質條件

太原東山煤礦位于沁水煤田東山背斜西翼,為地層總的走向北北西,傾向南西西的單斜構造。井田被17條傾向正斷層切割為8個塊段。F17斷層走向近東西,傾向南,傾角75°,落差約70 m,造成斷層上盤煤層和對盤奧灰巖溶含水層對接,井田帶壓開采,水文地質條件復雜。

71506工作面靠近F17斷層,距離工作面東側300 m處,71503工作面揭露了落差約20 m的正斷層F17’,其走向平行延伸,F17’斷層位置距71506切眼外約20 m處,顯示了F17斷層組合的復雜性,初步分析為F17的派生斷層。

1.2 瞬變電磁探測思路及方法(材料巷及切眼后斷層富水性探測)

測點布置方法,以水平方向、斜下45°、斜上45°向煤柱探測F17 及其派生斷層。工程布置如圖1所示。采用不共面同軸偶極方式(中心式)如圖2所示。

圖1 東山煤礦71506工作面瞬變電磁探測工程布置示意圖Fig.1 Engineering layout of TEM detection on No.71506 working face in Dongshan Coal Mine

圖2 瞬變電磁系統中心工作方式Fig.2 Working mode of TEM system center

1.3 瞬變電磁富水性探測

1)材料巷富水性探測。圖3為71506工作面材料巷瞬變電磁探測視電阻率等值線圖。材料巷從起始點切眼到絞車房,整個探測剖面內可以較清楚地看到,底板深度約70 m的位置存在著高阻層,是奧陶系灰巖的頂界面。回風巷底板存在著4個電阻率異常區。

①異常區Ⅰ位于切眼處,深度大于90 m,顯然異常區已經深入至奧陶系灰巖含水層的內部,懷疑為F17或者其派生斷層引起的。

②異常區Ⅱ距起始點(切眼)150 m～170 m的范圍內,中心位置為160 m,深度約為70 m,沒有深入至奧陶系灰巖含水層的內部。

③異常區Ⅲ距離切眼分別為310 m～330 m,深度達65 m,沒有向下延伸趨勢。

④異常區IV距離切眼分別為390 m～440 m,深度達75 m,沒有向下延伸趨勢。

2)切眼煤柱后F17’斷層富水性探測。切眼煤柱的三條測線都顯示出煤壁內約20 m為低阻異常,結合71503工作面揭露的H=20 m一條F17的派生斷層。

圖4 71506工作面切眼向著煤柱水平方向瞬變電磁探測視電阻率等值線圖Fig.4 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the horizontal direction of coal pillars

水平方向富水性探測。圖4為71506工作面切眼向著煤柱水平方向瞬變電磁探測視電阻率等值線圖。切眼煤柱內部水平方向,平均約18 m的深度存在著低阻條帶,低阻條帶的寬度約10 m。其中運輸巷40 m處和110 m處的低阻寬度較大,有向外延伸趨勢。

圖5 71506工作面切眼向煤柱斜下45°瞬變電磁探測視電阻率等值線圖Fig.5 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the direction of 45°down the coal pillars

圖5,顯示底板45°方向約10 m～20 m的深度內存在著低阻帶,寬度約10 m。其中在距離材料巷20 m～30 m的區間低阻異常區深度達40 m。

圖6顯示底板45度方向約10 m～20 m的深度內存在著低阻帶,寬度約10 m。

圖6 71506工作面切眼向煤柱斜上45°瞬變電磁探測視電阻率等值線圖Fig.6 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the direction of 45°up the coal pillars

2 突水危險性分析

2.1 底板突水危險性分析

1)底板突水危險性評價依據。按照《煤礦防治水規定》突水系數式(1),底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m[6]。

2)底板富水性分析。根據材料巷的探測結果,材料巷這個異常區都位于橫切71506工作面的H=4 m的高角度(80°)斷層的兩側,異常區的深度較小,富水性為該斷層所致,其水文地質條件較為簡單。

3)底板突水危險性分析。計算工作面正常地段工作面最大突水系數0.019 MP/m,突水危險性較小。

2.2 切眼煤柱突水危險性分析

1)水平方向突水分析。水平方向評價依據，斷層導水的情況下,防隔水煤(巖)柱的留設原則,其斷層水在順煤層方向上的煤柱依據式[3](1)。

(1)

式中:L為煤柱留設的寬度,m；K為安全系數(一般取2～5);M為煤層厚度或采高,m;P為水頭壓力,MPa;KP為煤的抗張強度,MPa。

切眼水平方向突水危險性分析。如果按太原東山煤礦煤層抗拉強度多年來 0.06 MPa,富水強的位置集中在距切眼20 m～40 m距離內,小于應該留設的最小煤柱52 m,存在危險性。

2)切眼頂板、底板方向突水危險性分析。評價依據，斷層導水,其底板方向安全距離HA值可以按下列式(2)計算[3]

(2)

切眼底板方向突水危險性分析。從切眼底板方向看,斜45°向下探測,富水性強的區域在10 m～40 m,富水區域大于32 m安全距離,同時,依據斷層傾向,斷層面遠離工作面,富水帶向工作面方向移動,斷層富水帶與15#煤層底板巖溶裂隙含水層對接,其突水危險性與含水層裂隙發育程度有關,開采時位于底板破壞帶,易形成滯后突水。

切眼頂板方向突水分析。頂板方向斜向上45度探測,富水性強的位置在10 m～20 m,一方面斷層靠近工作面,;一方面頂板20 m范圍有L1、L2、L3灰巖含水層,富水帶與15號煤層灰巖L1含水層對接,開采時頂板裂隙溝通富水帶發生突水危險性最大。開采后期導水裂隙帶溝通上覆L2、L3等含水層滯后突水可能也存在。

3 結束語

1)底板富水性較弱,開采時正常底板突水危險性較小。

2)切眼外側受落差20 m的F17派生斷層影響,該斷層富水性較強,存在側向補給15號煤層頂板含水層造成突水的可能,工作面突水危險性最大。

3)切眼煤柱受來自F17派生斷層斷層水壓破壞開采后受采動影響易形成滯后突水,是防范中的重點。