直流電法在西坡煤礦探測富水構造中的應用

朱加鋒，雷東記

直流電法在西坡煤礦探測富水構造中的應用

朱加鋒1，雷東記2

(1.山西潞安集團公司通風處，山西 長治市 046204；2.河南理工大學 安全學院，河南 焦作市 454000)

西坡煤礦5100工作面安裝調試過程中，采空區頂板發生垮落，隨后發現工作面底板涌水。為避免開采過程突發突水事故，基于井下直流法勘探原理，在5100工作面皮帶順槽和軌道順槽分別進行了直流電法探測，對該工作面周圍的富水性特征、圍巖斷層破碎帶、富水構造以及潛在突水點的分布情況進行全面探查分析。結果證明直流電法對井下水害探測是有效的，為工作面加強超前探放水相關工作，制定探放水措施提供了依據。

直流電法;富水構造;突水;水害探測;煤礦

在礦井生產中，突水事故是煤礦最嚴重的災害之一。為避免突水帶來的不必要的礦井生產損失和事故，通常采取相應的地球物理探測方法進行工作面超前物探，及時發現富水構造，對煤礦安全生產具有重要的意義[1]。當前煤礦對于井下富水構造運用較多的地球物理探測方法有井下直流電法[2-3]、瞬變電磁法[4-6]以及地震波法[7-8]等，各種方法都具有自己的優點和適用性。其中瞬變電磁法具有體積效應以及受井下探測區域環境干擾較大[9]，從而要求分析過程中要去掉干擾因素，一定程度上增加了探測難度；地震波法在井下對富水探測不靈敏，精度太低，不利于礦井應用推廣。直流電法是當前礦井探測工作面前方富水構造應用最廣泛的物探方法，不僅如此，直流電法在工作面、頂底板的探測也發揮了重要的作用[10-11]，目前直流電法儀逐漸小型化、高精度化，可實現井下安全高效的數據采集。

本文采用直流電法對西坡礦首采工作面存在的底板涌水問題進行超前探測，為煤礦加強超前探放水、制定防水措施相關工作提供指導。

1 工作面地質概況

西坡煤礦位于山西省呂梁市柳林縣西北部，5100工作面作為首采工作面，工作面標高為531.3～469.5 m，主采5(4+5)號煤層。井田內太灰水水位標高為718.95～833.01 m，5(4+5)號煤層均位于太灰水水位之下。5(4+5)號煤層直接底和老底裂隙發育，分別為2.03～3.5 m抗拉強度較小的砂質泥巖和6.31～7.50 m的中砂巖，砂巖質硬以及裂隙不易彌合的屬性決定了其成為充水通道的可能。由于煤層底板局部裂隙發育以及煤層開采工程中對底板的破壞，導致底板裂隙導通L5含水層，可能造成生產過程中水害事故。按照《礦區水文地質工程地質勘探規范》，突水系數計算結果如表1所示。結果表明370孔突水系數最大，為1.793 MPa/m，133孔突水系數最小，為0.206 MPa/m，即使最小值也大于煤礦防治水規定中的0.1 MPa/m的標準，故太灰水對開采5(4+5)號煤層有很大的威脅，應該制定比較嚴格的承壓開采防治水措施，尤其加大斷層等地質構造以及未封或封孔不良鉆孔附近區域的防治水工作力度。

表1 太原組石灰巖裂隙、巖溶水對5(4+5)號煤突水系數

2 數據采集與分析

2.1 測線及測點的布設

為了探明5100工作面皮帶順槽和軌道順槽底

板含水層、斷裂破碎帶等富水構造，同時滿足布點施工簡單、經濟、人力成本少，測量過程安全，測量結果精度高，以及礦井需求等要求，經過綜合對比分析，采用固定M、N電極而移動A電極的三極法，移動步距為5 m，其中供電電極有兩個電極。電極A、B為鐵棒，電極M、N為銅棒，銅棒具有更好導電性和非極化性，可以測量到更精確和穩定的數據，將電極分別連到四根電纜上（見圖1）。

圖1 井下直流電法施工

現場在工作面皮帶順槽和軌道順槽各布置一條測線。兩條測線各設置33個樁點，樁點間距20 m，測線總長為640 m。其中軌道順槽測深為45 m，皮帶順槽由于考慮到工作面超前支護區底板積水的影響，為探測準確性和精度考慮，皮帶順槽測深為40 m。

2.2 探測成果分析

利用專門軟件對探測數據進行綜合處理，去除明顯錯誤的數據后，繪制電阻率剖面圖。圖2為軌道順槽三極電測深，圖3為皮帶順槽三極電測深。首先對同樁點有效數據進行比較，如果同樁點中有存在相差3倍以上的值，則視為異常樁點；然后對異常樁點和其相鄰樁點進行比較，如果異常樁點至少有3個數據小于相鄰樁點數據，則該異常樁點較小測點（區）被定為低阻異常點（區），圖中低阻區使用紅色菱形表示，高阻區方法相同，圖中用藍色圓形表示。

由圖2可知，軌道順槽巷道底板高阻點（區）分布較廣，樁點60，100，140，160，200，220，280，360，380，400，460，520，580，640 m區域附近為高阻異常區，總共14個高阻區，由軌道順槽視電阻率剖面曲線圖可知，樁點80，300，420，540 m和620 m位置區域為低阻異常區，總共9個低阻異常區，尤其300 m和420 m異常區距掘進過程中發現的穿越工作面斷層較近，工作面回采過程中應注意做好防范工作。

圖2 軌道順槽三極電測深

圖3 皮帶順槽三極電測深

由圖3可知，皮帶順槽巷道底板高阻點（區）分布較廣，樁點0，60，80，120，140，160，200，300，380，420 m和540 m區域附近為高阻異常區，總共11個高阻區，由皮帶順槽視電阻率剖面曲線圖可知，樁點40，80，240，320，440 m和520 m位置區域附近為低阻異常區，一共9個低阻異常點（區），尤其240 m和440 m異常區距掘進過程中發現的穿越工作面斷層較近，工作面回采過程中應注意做好防范工作。高阻點（區）主要集中在30 m深度以下，尤其在軌道順槽最為明顯。其中，軌道順槽200 m樁點位置存在一個最大視電阻率值為1191.12 Ω?m的高阻區域，分析原因為巷道在該位置區域突然變陡所致，軌道順槽350～370 m樁點位置存在高阻區域，分析原因為巷道在該位置區域頂底板破碎，掘進過程中發現兩條斷層在該位置區域交匯，導致視電阻率值明顯升高，這兩點驗證了該方法在巷道底板電測深中的準確性和有效性。

3 結 論

（1）通過采用YDZ(A)直流電法儀對西坡煤礦5100工作面進行富水構造探測，證明直流電法對井下水害探測是有效的。

（2）西坡煤礦5(4+5)號煤開采時受到底板太灰裂隙巖溶水的威脅較大。工作面皮帶順槽和軌道順槽結果顯示低阻異常區較多，證明巷道底板存在較多富水區域和含水構造，工作面回采過程中務必加強超前探放水相關工作，制定嚴格的探放水措施，應提前做好太灰水的預防工作。

（3）由于探測距離較遠，受巷道坡度的影響，樁點與實際巷道具體位置可能存在一定誤差，所以建議在工作面開采中加強探測，并實施綜合探測和防治措施。

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(2019-07-08)

朱加鋒(1984—)，工程師，主要從事煤礦一通三防工作。