瞬變電磁法探測工作面上層采空區積水的應用

2020-08-03 02:37:32何廣宏

山西焦煤科技 2020年5期

何廣宏

(山西汾西同達工程設計有限公司，山西介休 032000)

兼并重組礦井井田內小煤窯的過度開采、上層煤層采空區資料的短缺等原因導致許多越層、超警戒的隱性采空區位置、范圍無法確定，給重組礦井的掘進和回采帶來安全隱患，特別是對下層煤的開采產生影響，主要表現在采空區透水和采空區頂板發生大面積垮落。因此，必須對采空區的位置、范圍、邊界等進行探測，為礦井安全開采提供技術指導。以和善礦6-1采區6102、6103工作面為例，采用瞬變電磁法對回采工作面上層采空區進行探測，確定采空區積水的位置、范圍、水量，驗證疏水效果，確保礦井安全生產。

1 工程概況

和善煤礦由原山西沁源和達煤業有限公司、原沁源善樸煤炭有限公司、原沁源花坡煤炭有限公司及空白資源兼并重組，井田面積12.648 2 km2，批準開采1#—11#煤層，開采深度為+1 570～+1 060 m，生產規模180萬t/a.

該礦6-1采區位于井田西部，主采6#煤，穩定可采，水文地質屬于中等類型；采區南邊界為6102、6103工作面，切眼長均為180 m，工作面長1 200 m. 根據煤層柱狀圖，現批準開采的6#煤上距2#、3#煤層20.3～25.4 m，2#、3#煤厚度為2.1～3.5 m，平均為2.8 m，大部分采用房柱式采煤法，被小煤窯泛濫開采、嚴重破壞，上層含水巖層裂隙發育，2#、3#煤層采空區積水極易通過斷層、陷落柱及裂隙帶下滲到6#煤6102、6103工作面，造成透水事故。經地面實地調查，探測范圍內小窯井筒9座，原開采的2#、3#煤采空巷道錯綜復雜，井下地質、采掘活動資料缺乏，隱性采空區位置、界限無法確定，采空積水面積約為20萬m2，積水量約為10萬m3. 為弄清工作面的具體異常情況，利用礦井瞬變電磁儀對6102、6103工作面進行探測。

2 瞬變電磁實施方案

為探測6102、6013回采工作面頂板上層煤采空區積水，實地踏勘了工作面對應的地面地形特征，采用瞬變電磁儀在地面進行實驗，劃定測試范圍，劃分疏水前和疏水后兩個數據采集階段。疏水前劃定60、160、240、260、340、400六條測線，設置測點，進行數據采集處理、資料整理解釋、反演計算等；第一次探測并繪制瞬變電磁視電阻率擬斷面圖、切片圖及異常解釋成果圖，確定采空區積水范圍、位置，估算出采空區積水面積和總量；疏水后第二次探測設置A100、A200、A300、A400等8條測線并繪制視電阻率擬立斷面圖，對比疏水前后視電阻率變化；總結瞬變電磁技術的成果，給出掘進、回采的建議。

3 資料解釋

3.1 疏放水前視電阻率擬斷面圖資料分析

為有效查看地質體在橫向和垂向上的電性分布特征，結合已知資料和視電阻率擬斷面圖，標繪出煤層位置，通過電阻率色譜的變化特征、規模、形態和電阻率等值線的梯度、間距變化，推斷地質體或異常的形態、性質等，解釋斷裂構造、地層結構及富含水特征。

對測區內60線典型的瞬變電磁測線視電阻率斷面圖進行分析，見圖1. 60線位于測區南側，6102回風順槽北側約6 m，2#和3#煤共圈定異常區4個，強異常區4個；6#煤共圈定異常區2個，強異常區1個，弱異常區1個。

圖1 60線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖

3.2 疏放水前視電阻率順層切片圖資料分析

通過對煤層底板等高線數據進行提取和網格化，得到各測點對應煤層的高程數據，在瞬變電磁成果數據體中提取各目的層的順層視電阻率數據并生成順層切片圖。順層電阻率及其富水性分析圖可以顯示含水異常的整體輪廓，還可配合視電阻率擬斷面圖進行含水異常解釋，低電阻率值可以解釋為含水異常區。

等高線數據提取的主要方法：將等高線、見煤標高點導入至MapGIS中，對曲線進行高程賦值及節點加密；然后將等高線節點及對應的高程值導出，在Sufer中采用與測網網度相同或更小的間隔進行數據網格化，標出分布整個測區的均勻高程點。所有測點附近都有與之對應的高程數據點，再根據測點的實際坐標值提取周邊的高程數據點，并通過插值算法計算各測點的高程數值，得到各切片中測點對應的高程數值。根據得到的高程數據在數據處理成果數據體中提取順層視電阻率數據，進一步對提取的順層視電阻率數據進行富水性處理，最后在Surfer中繪制順層切片圖。

2#、3#煤層視電阻率順層切片圖見圖2，整體上地層的背景電性特征相對均勻，異常呈現明顯的區域性，視電阻率的變化范圍較大，局部存在低阻異常，呈條帶或片狀主要分布于測區西側、中西部和中東部3個區域，均為采空積水的表現。

3.3 疏放水前視電阻率異常解釋成果分析

2#、3#煤層埋藏較淺，大部分為小窯破壞區，由于開采年代久，巖層沉降、裂隙發育，采空區低洼地帶易變成積水區。根據2#、3#煤層瞬變電磁視電阻率擬斷面圖、切片圖，6102、6103工作面范圍內共圈定采空積水區異常12個，編號分別為A1、A2、A3、A4、A5、A8、A9、A13、A16、A17 和A18，A19. 其中，強采空積水異常區 5 個，分別為 A1、A2、A5、A8和 A17；弱采空積水區7個，分別為A3、A4、A9、A13、A16、A18 和 A19.

2#、3#煤層采空區積水量計算公式：

Q采=(K·M·F)/cosα

式中：

圖2 2#、3#煤層視電阻率順層切片圖

Q采—各積水區總積水量，m3；

K—采空區的充水系數；

M—采空區的平均采高或煤厚，m；

F—采空區積水的投影面積，m2；

α—煤層傾角，(°).

采空區的充水系數強積水區取0.35，弱積水區取0.2,2#煤平均煤厚0.5 m,3#煤平均煤厚 0.8 m,由此計算出2#、3#煤層采空區積水面積約為234 575 m2，采空區積水量為98 593 m3. 其中，強采空積水異常區積水面積約為192 838 m2，積水量約為87 742 m3；弱采空積水區積水面積約為41 737 m2，積水量為10 851 m3，采空區積水量估算表見表1.

表1 2#、3#煤采空區積水量估算表

3.4 疏放水前、后視電阻率擬斷面對比分析

根據第一次探查劃定的采空區積水和2#、3#煤采掘工程平面圖，布置6#煤回采巷，實施有效的超前探放水措施。以A200線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖(見圖3)為例，測線位于測區北側，左側為A200測線疏放水前地面瞬變電磁探測視電阻率擬斷面圖，右側為A200測線疏放水后地面瞬變電磁探測視電阻率擬斷面圖。從圖3可以研判：驗證斷面的上部視電阻率相較疏放水前視電阻率值偏高，有2處強異常區；通過6#煤6102、6103工作面掘進巷道布置，超前疏放水后視電阻率值偏低，有4處弱異常區，積水區由強積水區變成弱積水區；通過掘進、回采實踐表明：工作面疏放水水量為8萬m3，回采時工作面最大涌水量5 m3/h，使嚴重采空積水得到有效控制。