2-216工作面上部老空水探測與防治

賈金鳳

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

隨著煤礦逐漸向深部開采，復雜的水文地質環境可能造成礦井突水事故的發生，其中老空區積水造成的突水事故占據礦井水害的大部分[1]。趙立曙、王俊奇等人采用瞬變電磁法對頂板老空區進行了多角度探測，探測效果良好，有效地解釋了采空區范圍和位置特征[2]。岳建華教授對瞬變電磁法限制條件和影響因素進行了分析，進一步探討了瞬變電磁法的發展和應用前景[3]。劉志新、劉樹才等人對瞬變電磁法的資料解釋方法和精度提高方法進行了研究，在物理模型的基礎上對井下異常水體的響應特證進行了分析[4]。本文采用瞬變電磁法對2-216工作面上部的1-113工作面的老空區水進行探測，得到異常含水區域的相關位置，為后續治理提供了可靠依據。

1 工程背景

辛置煤礦310水平二采區的2-216工作面開采2#煤層。煤層厚度為3.8～4.3 m，傾角為9°，所處標高為+208～+228 m，正上方地面標高為+628～+716 m。地表主體為山谷溝壑，存在部分陡坎，排水渠道通暢，無法形成積水區。但在2-216工作面回采階段發現煤幫出現淋水現象，且隨著回采向前推進淋水有增大趨勢。經過分析，可能是回采產生的采動壓力形成了一定的裂隙，導通頂板上覆砂巖裂隙水或1#煤層的1-113工作面采空區積水。工作面頂板特征見表1，頂板巖性較為堅硬，厚度為10.2 m。2-216上覆砂巖裂隙水，含水性微弱，對工作面回采影響較小； 該面上方存在開采1#煤層的1-113工作面采空區，其空間關系見圖1，可能積有老空水，必須采取相應的探測手段對其進行探明，以保證后續治理措施的制定，從而保證工作面安全回采。

圖1 上下工作面空間關系

2 瞬變電磁法探測

當前，對上覆采空區積水探測的方法主要有瞬變電磁法、磁共振探測、直流電探測法、地震反射波法等。其中瞬變電磁法應用較為廣泛，對地層中含水性解釋效果良好，為此本次探測采用瞬變電磁法。

2.1 布置方案及設置參數

瞬變電磁法是以不同介質間電性的差異為基礎，通過接受到感應電流并據此反演推出地層情況。2-216工作面整體為單斜構造，為了防范受到構造的影響，測線采用東西走向方向布置，勘探網格線距為40 m，點距為20 m；在1-113采空區正對地層上方布置4組間隔100 m的測點。具體布置見圖2，瞬變電相關參數設置見表2。

圖2 瞬變電磁及直流電布置

表2 瞬變電磁法設置參數

2.2 探測結果及分析

瞬變電磁探測易受探測點四周高壓線及房屋建筑的影響，為此數據處理顯得尤為重要。根據統計學原理，將數據中明顯不符合共性特征的直接刪除，本次探測主體為2#煤層上部采空區及頂板，探測結果見圖3～圖5。

圖3 瞬變電磁探測結果

圖3為2#煤層頂板電阻率切片處理結果圖。從圖中可以看出藍色區域電阻率較低，可能為含水異常區域。對圖3含水異常區域進行區域劃分，得到圖4上部采空區含水區域圖。從圖中可以看出A1、A2-1、A2-2、A4-1、A4-2、A4-3、A5、A6為主要異常區域，其中強含水異常區有A1、A2-1、A4-2、A6，中等含水異常區有A2-2、A4-3、A5，弱含水區域有A4-1。其中A1、A6附近存在高壓線，結果可靠性較低。圖5為44線瞬變電磁多測道曲線，觀察圖中曲線整體上存在高低起伏，較為明顯的為1、2、4號區域，說明這些區域為低阻含水區域或者為高阻構造裂隙區域。其中1號區域曲線變形嚴重，感應電壓最大相差860 nv/A，2號區域及4號區域起伏相比其他區域較為明顯，呈現“U”“V”形狀。1號區域變化與其他區域存在明顯不同的特征，所以1號區域結果可靠性較低。

圖4 2#煤層上部采空區含水異常區分布

圖5 44線瞬變電磁多測道曲線

圖6是根據電阻率值之間的差異得到的擬斷面圖。觀察2#煤層電阻率等值線可以發現,在1、2、4號區域變化較大，分別位于20～200樁號，450～550樁號和1000～1050樁號之間，這些區域電阻率值異常增大，變化明顯；結合圖3中電阻率切片處理結果可以得出：A2-1、A4-2含水異常。造成異常原因為1#煤層采空區積水或者頂板砂巖裂隙帶含水引起。已知2#煤層頂板砂巖裂隙水含水性微弱，所以判斷為上覆采空區積水。另外圖中淺紅色區域在空間上表現參差不齊，可能為裂隙帶不含水區域，而實際情況巖層分布同樣不均勻，表明淺紅色區域為裂隙不含水區域。

圖6 2#煤層視電阻率擬斷面

綜上分析,上覆1#煤層采空區內含水異常區域主要為A2-1、A4-2。從電阻率擬斷面圖和瞬變電磁多測道曲線圖可以看出，2號、4號區域含水異常，兩者結果相符合，表明了瞬變電磁探測的合理性。造成含水異常的原因為上覆采空區積水。2-216工作面頂板淋水是因為采動導致裂隙帶導水，導通上覆采空區積水而引起的。由于2-216工作面頂板距離1-113工作面采空區較近，覆巖整體結構受到采動影響而強度降低，導水裂隙帶與上覆采空區連通,導致工作面頂板淋水甚至可能發生突水事故。瞬變電磁法的有效探測除2#煤層上覆采空區異常含水區域外，還發現頂板上部存在裂隙帶，為此必須對存在積水區域采取嚴格的探放水措施，以免釀成事故。

3 探放水治理

3.1 治理措施

結合2-216工作面相關參數，在工作面回風巷內布置鉆孔3個，分別為Z01、Z02、Z03，鉆孔間距15 m，選用鉆頭96 mm。為保證鉆機機身的穩固和方便鉆孔的施工，保證放水孔有較好的放水效果，減少堵孔塞孔現象，終孔層位應避開巷道，且終孔點設計在采空區原頂板向下1.5～2 m處。施工用ZDY-4000LD鉆機，安裝孔口管直徑150 mm，壓力水排渣法鉆進10.5 m后，起出鉆桿，下10 m、D150 mm的套管，并采用專用封孔器壓風吹水泥漿法封孔10 m，進行固管。鉆孔布置平面見圖7，鉆孔結構見圖8。

圖7 鉆孔布置平面

圖8 鉆孔結構

3.2 治理效果

實施鉆孔探防水后，鉆孔最大開放水量為589.87 m3/h，較正常放水量多176.99 m3/h，探放期間排水穩定，每日放水量超過8 000 m3。其中Z01鉆孔探放水量為22 000 m3，單日最大排水量為7 931 m3左右；Z02鉆孔探放水量為26 000 m3左右，單日最大排水量為8 064 m3；Z03鉆孔探放水量最大為28 000 m3，單日最大排水量為8 204 m3。已知礦方主水泵房安裝有5臺D450-60×4型水泵，水泵額定排水能力為450 m3/h，已知最大涌水量為589.87 m3/h，啟用兩臺水泵可滿足需求。放水時間持續9d，共排水超過76 000 m3，最終確保2-216工作面不受1-113工作面老空區積水的影響，安全穩定回采。

4 結語

1）2#煤層上覆煤層采空區內含水異常區域主要為A2-1、A4-2，從電阻率擬斷面圖和瞬變電磁多測道曲線圖上可以看出2號、4號區域含水異常。

2）含水異常的原因為上覆1-113工作面1#煤層采空區積水，2-216工作面淋水原因為采動產生的頂板導水裂隙帶與上覆采空區導通所致。

3）采用3個鉆孔對老空區積水進行排放，礦井正常涌水量約為412.88 m3/h時，鉆孔最大涌水量約589.87 m3/h，啟用兩臺泵排水，能夠保證在220 h左右排干1-113工作面老空區積水；放水時間9d，總排水量超過76 000 m3，最終確保2-216工作面不受1-113工作面老空區積水的影響，安全穩定回采。