綜合勘探在礦井采空區積水區探測中的應用

郭相海

（汾西礦業（集團）有限責任公司安全監察中心，山西 介休 032000）

采空區積水會給煤炭開采安全帶來較大威脅，現階段礦井常用的采空區積水探測手段可大致分為物探、鉆探兩類[1-2]。鉆探可直接掌握井下情況，但是也存在探測范圍小、施工強度大以及成本高等問題，無法實現大規模探測[3]。物探具有效率高、成本低以及探測范圍廣等優點，現階段常用的采空區積水物探探測手段包括有瞬變電磁法、音頻電透視法等，其中瞬變電磁法具有探測深度大、布點簡單以及成本低優點，但是也面臨隨著探測深度增加面臨在采空區積水邊界判別難度大問題；音頻電透視法可布置在探測區附近，可更為精確的確定采空區積水邊界，但是也存在探測距離小問題。將瞬變電磁法、音頻電透視法相結合，充分發揮兩種探測技術優勢，以便達到更為全面、精準確定采空區積水范圍目的[4-7]。

1 工程概況

山西某礦主采煤層批準開采3 號煤層、15 號煤層兩層煤，3 號、15 號煤層厚度平均分別為4.6 m、6.9 m，煤層開采均采用綜放工藝。3 號煤層埋深平均埋深350 m、15 號煤層埋深470 m。隨著礦井礦井服役時間增加，淺部的3 號煤層資源已基本枯竭，現生產主要集中在15 號煤層。3 號煤層與15 號煤層巖層主要為粉砂巖、灰巖以及砂質泥巖，根據經驗預測15 號煤層開采后導水裂隙帶會發育至3 號煤層采空區。3 號煤層以及15 號煤層水文地質條件簡單，主要涌水水源為3 號煤層上覆砂巖裂隙水含水層以及15 號煤層頂板灰巖裂隙水含水層。

由于3 號煤層部分區域開采時間長，預計采空區部分區域內會存在積水情況，為確保15 號煤層15303 綜放工作面生產安全，提出將地面采用瞬變電磁法、井下采用音頻電透視法相結合的井上下聯合勘探技術對采空區內積水情況進行探測。

2 綜合勘探設備及勘探點布置

2.1 綜合勘探設備

地面瞬變電磁勘探采用V8 多功能電磁探測儀，該設備具有動態測量范圍大、抗干擾能力強、功率大、體積小以及施工便捷等優點，可滿足大深度、大電流勘探需要。

井下音頻電透視采用的設備型號為DTS-II 音頻電透視儀，該設備由接收機、供電機兩部分構成，是一種專門用以井下水文地質勘探設備，具有抗干擾能力強、探測精度高等優點。

2.2 勘探點布置

在地面采用瞬變電磁法探測3 號煤層采空區，具體測網布置線距40 m、點距為20 m，布置的測線應盡量垂直地層產狀。在地面共計布置35 條測線，其中1 號-8 號測線長度840 m、9 號-35 號測線長度均為1 640 m，現場共計布置2 834 個測點。

井下采用音頻電透視法探測，布置發射點、接收點間距分別為50 m、10 m。針對發射點，在另一條巷道對應區間內布置接收點并按扇形掃描接收。單個發射點對應15～26 個接收點，根據現場探測需要在井下共計布置289 個探測坐標點。

3 綜合勘探成果分析及驗證

3.1 綜合勘探成果分析

具體地面布置的瞬變電磁勘探解釋圖見下頁圖1 所示，具體表征標高+450～+900 m 范圍內地層電阻分布特征。

從圖1 中看出，隨著探測水平距離增加，視電阻率呈降低趨勢，視電阻率變化特征與地層產狀分布特征較為吻合；在水平距離1 250～1 600 m 范圍內為視電阻率低阻異常區，判定該區域上覆存在有3 號煤層采空區積水區，該低阻異常區主要是由于采空區積水以及巖層內裂隙富水引起。瞬變電磁勘探確定的低阻異常區正位于15303 綜放工作面開采范圍內。

圖1 瞬變電磁勘探解釋圖

為進一步確定15 號煤層15303 綜放工作面上覆采空區以及頂板巖層富水情況，采用音頻電透視法對采面開采范圍內15 號煤層上覆40 m 范圍低阻異常區進行勘探，具體成果圖見圖2 所示。

圖2 音頻電透視勘探成果

從圖2 得知，音頻電透視勘探確定的1 號異常區位于采面上巷東側，該異常區分布范圍貫穿整個采面，具有分布范圍廣、異常幅值強特點，異常區中心靠近采面上巷位置；2 號異常區位于采面下巷40號-63 號測點間，南北狀分布，異常區不連續、有兩個異常中心。根據礦井現掌握的地質資料顯示，2 號異常區主要是由于附近的F12、F13 斷層導致，在斷層影響下煤層頂板巖層破碎、導水能力明顯增大。

根據瞬變電磁以及音頻電透視勘探結果發下，15303 綜放工作面范圍內確定的異常區具有一定的導水性，因此建議在15303 綜放工作面開采期間注意防治水工作開展，特備注意F12、F13 斷層影響區內防治水工作開展。

3.2 鉆孔探測分析

根據地面瞬變電磁、井下音頻電透視成果，為確保后續煤炭回采安全，在回采巷道掘進期間以及采面回采前向勘探異常區施工鉆孔對頂板富水情況進行探測。其中1 號及2 號探測鉆孔均有水涌出，后經水化學分析判定均為3 號煤層采空區積水。表明采用的綜合勘探技術確定的3 號煤層采空區積水區范圍較為精準。

后續礦井經過持續疏排，共排出15 605 m3積水，采面在后續回采期間頂板基本不出現淋水問題，為采面煤炭安全回采創造良好條件。

4 結論

1）礦井現階段回采的15 號煤層位于3 號煤層采空區下方，為確保采面安全回采，提出采用綜合勘探技術對3 號煤層采空區內積水情況以及積水范圍進行探測。依據現場實際情況地面瞬變電磁勘探以及井下音頻電透視法探測。

2）采用綜合勘探發現15 號煤層15303 綜放工作面上覆存在有2 個物探異常區，推斷是由于上覆3號煤層采空區積水引起，并具體確定了3 號煤層采空區積水范圍。后續采用鉆孔鉆探發現圈定的異常區有水涌出，最終排水量達到15 605 m3，采面后續回采前進頂板基本不出現淋水情況，取得較好應用成果。