超大采高工作面頂板基巖含水層富水性探測(cè)與處理技術(shù)

曲秋揚(yáng) 張 亮

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

目前煤礦防治水中常用的物探方法主要有礦井直流電法、無(wú)線電波透視法、音頻電透視法和礦井瞬變電磁法。其中，由于本工作面煤層較厚，巷道成型后頂部賦存3 m厚的煤層，礦井直流電法和音頻電透視法均需要在煤層內(nèi)部安設(shè)電極，操作難度較大；無(wú)線電透視法需要介質(zhì)十分均勻，對(duì)煤巖層的要求較高，且測(cè)點(diǎn)布置要求復(fù)雜；礦井瞬變電磁法具有對(duì)低阻異常體反應(yīng)靈敏、方向性強(qiáng)、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、工作效率高等特點(diǎn)，使用率及準(zhǔn)確性均有保證，因此，本項(xiàng)目選擇瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)。郝家梁煤礦首采工作面設(shè)計(jì)采高7 m，頂板基巖從切眼附近6 m處逐漸增高至23 m。由于掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基巖層中富含水，且該工作面東南側(cè)具有豐富的燒變巖水。因此，探討基巖中的含水層富含水性和燒變巖成為補(bǔ)水水源的可能性，制定合理的探放水方案并提前疏放是安全開(kāi)采該工作面的基礎(chǔ)。

表1 首采工作面基巖層結(jié)構(gòu)表

1 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布。在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)。該二次場(chǎng)的大小及衰減速度與地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性有關(guān)，如果巖石裂隙發(fā)育豐富，含水量較大，導(dǎo)電性好，則二次場(chǎng)衰減慢，反之，二次場(chǎng)衰減較快，根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。

圖1 瞬變電磁場(chǎng)煙圈效應(yīng)

任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時(shí)間推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱(chēng)為“煙圈效應(yīng)”。

從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)深的原理。

2 郝家梁煤礦首采工作面概況

2.1 工作面概況

郝家梁首采工作面采用大采高綜采工藝，工作面設(shè)計(jì)采高7 m。工作面斜長(zhǎng)220 m，推進(jìn)長(zhǎng)度約1830 m，如圖2所示。工作面范圍內(nèi)煤層埋深約140～190 m，由切眼至停采線埋深逐漸增加，工作面屬俯斜開(kāi)采，水源一直跟隨工作面。工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中未揭露斷層構(gòu)造，工作面煤層賦存穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2.2 水文地質(zhì)條件

井田范圍內(nèi)的地下水分為兩大部分，分別為第四系松散巖類(lèi)孔隙及孔隙裂隙潛水和中生界碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水及承壓水。前者主要包括全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水和第四系更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水。其中，以薩拉烏蘇組孔隙潛水為最強(qiáng)。但前者與后者中間具有一層廣布全區(qū)的黏土層，厚度為11.54～93.98 m，平均厚度53.13 m，巖性為棕紅色粘土及粉砂質(zhì)粘土，其切斷了第四系潛水與基巖裂隙水的溝通渠道。所以，對(duì)工作面開(kāi)采產(chǎn)生直接影響的為碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水及承壓水以及東南方向存在的燒變巖含水層，各含水層的特征描述如下：

(1)侏羅系碎屑巖類(lèi)風(fēng)化帶裂隙水。全區(qū)分布，均隱伏于新近系靜樂(lè)組紅色粘土之下，含水層為基巖頂部的風(fēng)化裂隙帶，一般厚20 m左右。據(jù)井田東北部Y24鉆孔抽水試驗(yàn)成果，含水層厚度30.43 m，單位涌水量0.0015 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.003 m/d，富水性弱。水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na·Ca型，礦化度為286.00 mg/L。

圖2 首采工作面位置圖

(2)碎屑巖類(lèi)裂隙承壓水。分布于3#煤層之上，含水層主要為延安組第四段砂巖，以中粒砂巖為主，少量細(xì)砂巖，厚12～28 m，平均22.85 m。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，水位埋深12.49～34.69 m，含水層厚度25.40～67.93 m，單位涌水量0.0001～0.095 L/(s· m)，滲透系數(shù)0.007～0.367 m/d，富水性弱。水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na· Mg·Ca型水，礦化度為284.08 mg/L。

(3)燒變巖含水層。分布于本井田東南部3#煤層自燃邊界線以外，厚度6.47～17.40 m。巖石較為破碎，為本區(qū)的主要含水層。煤層燃燒后，其頂板失重塌落造成的破碎層和裂隙密集帶具有良好的儲(chǔ)水空間及導(dǎo)水通道。通過(guò)火燒巖區(qū)SHH05及SHH11鉆孔抽水試驗(yàn)，含水層厚度6.47～17.40 m，水位埋深24.36～28.48 m，降深28.17～43.58 m，涌水量34.56～41.73 m3/d，單位涌水量0.011～0.014 L/(s· m)，滲透系數(shù)0.066～0.235 m/d。富水性弱。水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Mg·Ca型及HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為212.83～249.62 mg/L。

威脅超大采高工作面安全回采的主要為上述3個(gè)含水層。根據(jù)全工作面頂板基巖的結(jié)構(gòu)、含水量、礦化度情況，利用瞬變電磁法得到各測(cè)線的視電阻率存在差別，根據(jù)視電阻率的異常特征，可反映出每個(gè)含水層的富水區(qū)域及富水程度。

3 探測(cè)方案與數(shù)據(jù)分析

3.1 物探設(shè)備及工作方法

本次物探使用澳大利亞的Terra TEM型儀器。該儀器具有采樣自動(dòng)化程度高、壓制干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。

探測(cè)設(shè)備設(shè)置的參數(shù)主要有：回線邊長(zhǎng)大小、回線匝數(shù)、疊加次數(shù)、終端窗口和增益等。根據(jù)郝家梁煤礦探測(cè)任務(wù)的要求和人文設(shè)施具體情況，采用重疊回線裝置，發(fā)射和接收線框采用10 m×10 m的矩形回線，回線匝數(shù)為12匝；采樣時(shí)窗為36；疊加次數(shù)為64；時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置與工作量

本次瞬變電磁探測(cè)工作地點(diǎn)為首采工作面區(qū)域，沿走向布置測(cè)線，測(cè)線間距40 m，共布置10條測(cè)線，由工作面機(jī)尾至機(jī)頭方向分別布置為100線、140線、180線、220線、260線、300線、340線、380線、420線、460線。完成剖面長(zhǎng)度29000 m，測(cè)點(diǎn)間距20 m，共完成1460個(gè)物探坐標(biāo)點(diǎn)，完成檢測(cè)點(diǎn)32個(gè)，共完成物理點(diǎn)1492個(gè)。測(cè)線測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

3.3 數(shù)據(jù)分析

首先，分析各條測(cè)線的視電阻率綜合剖面圖；其次，各條測(cè)線每個(gè)測(cè)道的視電阻率和視深度組成一個(gè)瞬變電磁測(cè)深的三維數(shù)據(jù)體，根據(jù)從不同角度切取的視電阻率等值線平面圖進(jìn)行異常的綜合解釋?zhuān)谶@個(gè)過(guò)程中參考各條測(cè)線的視電阻率綜合剖面圖，最后，對(duì)所得到的各個(gè)異常帶依照異常的特征進(jìn)行平面組合，圈出異常帶。

100線、140線、180線、220線、260線、300線、340線的視電阻率剖面圖具有較高的一致性，以260線為例說(shuō)明。260線視電阻率剖面圖見(jiàn)圖4，圖中黑色線代表3#煤層。在剖面測(cè)線方向0～500 m、標(biāo)高1100～1150 m處部分區(qū)域有低阻異常區(qū)，分析該異常區(qū)為火燒區(qū)富水區(qū)域；在剖面測(cè)線方向1300～2900 m、標(biāo)高1100～1150 m處部分區(qū)域有低阻異常，分析該異常為煤層頂板的基巖風(fēng)化帶的富水區(qū)域。

圖3 首采工作面物探測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 260線視電阻率剖面圖

380線、420線、460線在在剖面測(cè)線方向0～800 m、標(biāo)高1100～1150 m處部分區(qū)域有一大范圍的低阻異常，分析該異常為火燒區(qū)的富水區(qū)域和基巖風(fēng)化帶的富水區(qū)域，推測(cè)在該區(qū)域基巖風(fēng)化帶的富水區(qū)域與火燒區(qū)的富水區(qū)域可能有水力聯(lián)系。在剖面測(cè)線方向1500～2900 m、標(biāo)高1100～1150 m處有低阻異常，分析該異常為煤層頂板的基巖風(fēng)化帶的富水區(qū)域。

瞬變電磁法勘探100 m切片平面圖見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，低阻物探異常相對(duì)分散。一處較大的異常范圍位于各測(cè)線的500號(hào)點(diǎn)至700號(hào)點(diǎn)，推測(cè)為風(fēng)化帶的富水區(qū)域；另外一些低阻異常范圍相對(duì)較小，且大多孤立分布。

圖5 420線視電阻率剖面圖

圖6 瞬變電磁法勘探100 m切片平面圖

從上述數(shù)據(jù)可看出，工作面機(jī)尾存在受燒變巖含水層影響的可能性，并且在推進(jìn)1000 m后的基巖風(fēng)化帶中富水性較強(qiáng)；機(jī)頭部分受燒變巖含水層存在與基巖含水層導(dǎo)通的可能性影響并且在推進(jìn)1000 m后的基巖含水層富水性較好，兩者對(duì)開(kāi)采影響較大。因此，機(jī)尾和機(jī)頭的受水影響區(qū)域，一是集中在工作面初采期間，二是集中在工作面推進(jìn)1000～2000 m距離內(nèi)。

4 探放水方案設(shè)計(jì)與涌水量統(tǒng)計(jì)分析

4.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)富水性區(qū)域的物探結(jié)果，制定探放水鉆孔方案。本次頂板水探放工程共布置鉆孔58個(gè)，總進(jìn)尺3157 m。其中，由于2301工作面切眼位置處于基巖柱最薄弱區(qū)域，在工作面切眼布設(shè)4個(gè)鉆場(chǎng)、17個(gè)鉆孔。運(yùn)輸巷布置19個(gè)鉆孔，回風(fēng)巷布置22個(gè)鉆孔。

圖7 工作面頂板水探放鉆孔平面布置圖

探放水鉆孔自工作面巷道頂板完整粉砂巖段開(kāi)孔，穿透基巖風(fēng)化帶含水層后終孔。鉆孔開(kāi)孔直徑127 mm，煤層直接頂板粉砂巖、砂質(zhì)泥巖段安設(shè)?108 mm、壁厚6 mm的孔口管，孔口止水套管長(zhǎng)度應(yīng)不小于5 m。在管口段以外以?75 mm裸孔鉆進(jìn)。孔口安裝耐壓閥門(mén)、壓力表和流量計(jì)，對(duì)孔口水流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.2 鉆孔涌水量統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)實(shí)際探放水孔的統(tǒng)計(jì)分析，58個(gè)孔中有15個(gè)孔長(zhǎng)期具有一定的涌水量，初期有3個(gè)鉆孔的出水量達(dá)到2 m3/h以上，初始水量合計(jì)為17.91 m3/h，放水一定時(shí)間后涌水量略有縮減，呈現(xiàn)穩(wěn)定泄水的情況，總水量合計(jì)12.26 m3/h。其中，3個(gè)出水量較多的點(diǎn)分別在切眼與回風(fēng)巷交叉口處、運(yùn)輸巷推進(jìn)1400 m處和運(yùn)輸巷推進(jìn)1700 m處。實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果同瞬變電磁法的物探富水區(qū)結(jié)構(gòu)較為一致。

5 結(jié)論

(1)對(duì)工作面開(kāi)采產(chǎn)生影響的主要是紅土層以下的侏羅系碎屑巖類(lèi)風(fēng)化帶裂隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙承壓水和工作面東南方向的燒變巖含水層。

(2)通過(guò)瞬變電磁法探測(cè)出工作面在初采期受燒變巖含水層和頂板基巖含水層的雙重影響，在推進(jìn)1000 m后，主要受頂板基巖含水層的影響。

(3)根據(jù)物探結(jié)果對(duì)頂板基巖進(jìn)行鉆孔探放水，3個(gè)出水量較多的點(diǎn)分別在切眼與回風(fēng)巷交叉口處、運(yùn)輸巷推進(jìn)1400 m處和運(yùn)輸巷推進(jìn)1700 m處，距現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析可知，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)方案達(dá)到了疏放水的目的，保證了工作面的安全順利開(kāi)采。