羊東礦4 號(hào)煤工作面防治水綜合物探研究

曹棟

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

羊東礦8470 工作面為4 號(hào)煤綜采工作面，標(biāo)高為-611—-793 m。運(yùn)料巷長(zhǎng)為1 120 m，溜子道長(zhǎng)1 340 m，采寬130 m。

1.1 工作面的地質(zhì)情況

羊東礦8470 工作面東部以8468 工作面為界，西部以8466 采空區(qū)為界，南部以五二采區(qū)3 條下山為界，北部以F30 斷層預(yù)留防水煤柱為界。該工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜，工作面呈褶曲構(gòu)造形態(tài)，外段為背斜，里段為向斜，煤巖層走向?yàn)镹53°W～N84°E，傾角2°～28°，平均14°，煤層厚度1.20~1.96 m，平均厚度1.3 m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)8472 巷道及8472 工作面相鄰巷道實(shí)際揭露地質(zhì)資料，共計(jì)揭露28 條正斷層，其中斷距大于1/2 煤厚的12 條，如圖1 所示。

圖1 羊東礦8470 工作面工程布置示意Fig.1 Engineering layout of No.8470 Face in Yangdong Mine

1.2 工作面的水文地質(zhì)情況

8470 工作面開(kāi)采煤層為野青煤，煤層底板標(biāo)高為-611—-793 m，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。根據(jù)相鄰工作面掘進(jìn)期間水文觀測(cè)情況，預(yù)計(jì)該工作面掘進(jìn)期間正常涌水量0.08 m3/min，最大涌水量在0.6 m3/min。

該工作面開(kāi)采煤層頂板為野青灰?guī)r含水層，該含水層富水性弱，隨巷道掘進(jìn)揭露以滴淋水形式可逐漸疏干，一般不會(huì)對(duì)正常掘進(jìn)造成影響。底板含水層依次為伏青灰?guī)r含水層、大青灰?guī)r含水層、奧灰含水層。伏青含水層近3 a 最高水位為-605 m，根據(jù)工作面周邊809 號(hào)鉆孔資料分析，距野青煤層最小間距29.56 m。

大青含水層近3 a 最高水位為-360 m，根據(jù)工作面周邊809 號(hào)鉆孔資料分析，該含水層與野青煤層最小間距70.53 m。奧灰含水層近3 a 最高水位為+136 m，根據(jù)井田煤系地層綜合柱狀圖資料分析，該含水層與野青煤層最小間距115.55 m，柱狀圖如圖2 所示。

圖2 工作面柱狀圖Fig.2 Working face histogram

該工作面西部臨近8466 采空區(qū)，工作面內(nèi)及周邊有807、708、909、809、73、705 號(hào)地質(zhì)鉆孔，經(jīng)核實(shí)鉆孔封閉情況，73 號(hào)孔封孔質(zhì)量為合格，其余鉆孔封孔質(zhì)量為良好，工作面開(kāi)采不受鉆孔水威脅。

2 防治水物探工作目的及設(shè)計(jì)

2.1 工作面物探的目的及意義

羊東礦奧灰水位為+136 m，工作面底板標(biāo)高最低為-793 m。8470 工作面底板到奧灰距離為110.56 m，突水系數(shù)Ts 大致為0.084 MPa/m，大于0.06 MPa/m。由于8470 工作面受下伏奧灰水威脅，屬帶壓開(kāi)采，水文條件復(fù)雜。為此查明該工作面內(nèi)及外圍60 m 范圍、底板下120 m 范圍內(nèi)煤、巖層含水異常體的分布情況，確保底板無(wú)導(dǎo)含構(gòu)造發(fā)育是確保工作面安全回采的基本。

2.2 物探主要任務(wù)

為查明工作面底板下120 m 以淺區(qū)域，是否存在含水異常體分布。此次物探工作采用電測(cè)深和瞬變電磁手段進(jìn)行相互驗(yàn)證探查，采用技術(shù)成熟的無(wú)線電波坑透技術(shù)對(duì)工作面內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行探查。

（1） 電測(cè)深技術(shù)，探測(cè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯上铮綔y(cè)深度為底板下20 m 至底板下120 m 以淺范圍。

（2） 井下瞬變電磁技術(shù)，工作區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婕扒醒郏綔y(cè)范圍為8470 工作面外圍60 m 及內(nèi)部煤層底板下120 m 范圍。

（3） 無(wú)線電波坑道透視技術(shù)，探測(cè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯?nèi)部，主要探查工作面內(nèi)部大于1/2 煤厚的斷層和是否存在長(zhǎng)軸大于20 m 的陷落柱。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)工作布置及技術(shù)要求

2.3.1 電測(cè)深

電測(cè)深工作采用YBD11 礦用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，8470 工作面運(yùn)料巷長(zhǎng)1 120 m，巷道有效測(cè)點(diǎn)布置224 個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距5 m，測(cè)深20 ~ 120 m；溜子道長(zhǎng)1 130 m，巷道有效測(cè)點(diǎn)布置226 個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距5 m。

2.3.2 瞬變電磁探測(cè)

瞬變電磁探測(cè)采用PROTEM CM 瞬變電磁儀，發(fā)射頻率25 Hz，接收線框?yàn)?D 線框，數(shù)據(jù)采集采用30 門(mén)。工作面瞬變電磁探測(cè)設(shè)計(jì)為兩巷向工作面內(nèi)外兩側(cè)底板方向多角度探測(cè)，重點(diǎn)控制范圍是工作面內(nèi)部及外圍60 m 以內(nèi)，包含切眼外幫方向，煤層底板120 m 以淺范圍。切眼及切眼超前瞬變電磁工作布置如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁側(cè)向探測(cè)角度示意Fig.3 Transient electromagnetic lateral detection angle

（1） 運(yùn)料巷測(cè)線長(zhǎng)度1 120 m，探測(cè)角度布置為里幫-20°、-40°、-60°，外幫-50°、-75°，共5 個(gè)角度，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

（2） 溜子道測(cè)線長(zhǎng)度130 m，探測(cè)角度布置為里幫-20°、-40°、-60°，外幫-50°、-75°，共5 個(gè)角度，測(cè)點(diǎn)間距10 m。運(yùn)輸巷及運(yùn)料巷瞬變電磁工作布置如圖3 所示。

（3） 切眼測(cè)線長(zhǎng)度130 m，探測(cè)角度為外幫0、-20°、-40°、-60°，共4 個(gè)角度，測(cè)點(diǎn)間距10 m。

2.3.3 無(wú)線電波坑道透視

8470 工作面總長(zhǎng)1 085 m，設(shè)置發(fā)射點(diǎn)間隔50 m 布置1 個(gè)，在巷道揭露斷層附近可適當(dāng)加密發(fā)射點(diǎn)，以保證探測(cè)質(zhì)量。相對(duì)應(yīng)的每個(gè)發(fā)射點(diǎn)設(shè)置15 個(gè)接收點(diǎn)，接收點(diǎn)中間點(diǎn)以對(duì)面巷道反射點(diǎn)為中心，每個(gè)接收點(diǎn)點(diǎn)間距為10 m，工作面共布置接收點(diǎn)65 個(gè)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)要求

為保證數(shù)據(jù)采集資料的可靠，除嚴(yán)格按照工程設(shè)計(jì)施工外，還要對(duì)針對(duì)不同的巷道條件采取對(duì)應(yīng)的措施。

（1） 在坑透探測(cè)時(shí)，針對(duì)巷道揭露的斷層附近可加大測(cè)點(diǎn)密度，以采集更多有效探測(cè)數(shù)據(jù)。在巷道探測(cè)時(shí)，先探測(cè)巷道背景電磁場(chǎng)值，為數(shù)據(jù)修正準(zhǔn)備。

（2） 電測(cè)深提高供電電壓，在減少各電極極化反應(yīng)的同時(shí)，保證供電電流穩(wěn)定，盡量提高發(fā)射電流，保證探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠有效。

（3） 在遇到巷道積水段，應(yīng)該要求礦方盡量排空積水或開(kāi)挖臨時(shí)水倉(cāng)，減少對(duì)巷道探測(cè)的干擾。遇到緊急實(shí)在無(wú)法避免時(shí)，則采用電極打在煤壁上的臨時(shí)手段進(jìn)行勘探，后續(xù)對(duì)該段數(shù)據(jù)要進(jìn)行修正。

（4） 瞬變電磁探測(cè)是要保證探測(cè)角度準(zhǔn)確，采用坡度規(guī)等測(cè)量設(shè)備修正角度，并確保發(fā)射框和接收框在同一平面，盡量減少金屬物形成的近電磁場(chǎng)干擾。

3 綜合物探資料成果解析

3.1 瞬變電磁資料解析

采用專業(yè)TEMINT 瞬變電磁解析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、濾波、Db 和Bt 雙衰減曲線校核，然后再進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。最后形成每一條測(cè)線的視電阻率深度曲線圖。最后采用sufer 軟件形成羊東礦8470 工作面瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線斷面圖（圖4），圖中橫坐標(biāo)為運(yùn)料巷道測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置，縱坐標(biāo)為時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到的探測(cè)深度。圖中曲線為經(jīng)過(guò)計(jì)算的視電阻率變化指示曲線。為保證突出異常顯示，采用不同色界代表不同的視電阻率值，通過(guò)設(shè)置顯示的相對(duì)色差高低，而確認(rèn)以電阻率數(shù)值越小為弱性色域，通常視電阻率越小，含水性越強(qiáng)。

此次工作面瞬變電磁沿探測(cè)方向最大探測(cè)解釋距離為150 m，根據(jù)反演數(shù)據(jù)確認(rèn)探測(cè)盲區(qū)為20 m，該盲區(qū)不影響底板含水異常體的探測(cè)。根據(jù)工作面多組瞬變電磁探測(cè)解析曲線綜合分析，在此次瞬變電磁探測(cè)范圍內(nèi)電阻率變化成均勻分布，證明在底板探測(cè)深度范圍內(nèi)沒(méi)有存在含水性較強(qiáng)的地質(zhì)低阻體形成，其底板下方煤巖性反應(yīng)均在高阻范圍內(nèi)。對(duì)于在巷道起始位置出現(xiàn)的點(diǎn)狀低阻區(qū)域，因其范圍較小，且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)存在的個(gè)別電器干擾源相對(duì)應(yīng)，因此可以將該個(gè)別異常點(diǎn)予以排除。

3.2 電測(cè)深資料解析

巷道所取得電測(cè)深數(shù)據(jù)，先通過(guò)數(shù)據(jù)篩選剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中由于采集現(xiàn)場(chǎng)干擾導(dǎo)致的極高和極低數(shù)值，然后再進(jìn)行專業(yè)計(jì)算。由于采集數(shù)據(jù)密度極大，可充分保證數(shù)據(jù)的可靠。通過(guò)對(duì)比標(biāo)志層位電阻率值，大致判斷所設(shè)置反演深度系數(shù)是否合理。最終通過(guò)反演可得到羊東礦8470 工作面電測(cè)深探測(cè)視電阻率等值線斷面圖（圖5）。

圖5 羊東礦8470 工作面電測(cè)深視電阻率等值線圖Fig.5 The apparent resistivity contour diagram of electric depth-measurement in No.8470 Face of Yangdong Mine

圖中橫坐標(biāo)為測(cè)量巷道，縱坐標(biāo)為反演深度。圖中曲線為視電阻率等值線，以不同色界代表不同的視電阻率數(shù)值，其中可自行設(shè)置視電阻率數(shù)值越小，所反映的相對(duì)含水性也越強(qiáng)，可增加異常的辨識(shí)度。

根據(jù)電測(cè)深等值線斷面圖，探測(cè)范圍內(nèi)在巷道320 m 位置底板下圈定1 處低阻異常C1 ，結(jié)合其探測(cè)層位和礦方資料發(fā)現(xiàn)該異常處于底板下40 m位置，由于異常范圍較小，且該異常探出位置與電測(cè)深跑極方向420 m 處底板積水有關(guān)，因此可以認(rèn)定該異常為測(cè)量電極在跑位中受現(xiàn)場(chǎng)底板積水等條件影響產(chǎn)生的測(cè)量低電位干擾，后在其計(jì)算、反演過(guò)程中疊加放大，因此該異常可以予以排除，因此此次工作面巷道底板電測(cè)深在其探測(cè)深度范圍你未發(fā)現(xiàn)相對(duì)低阻異常的存在。

3.3 坑透資料解析

通過(guò)分析8470 工作面坑透探測(cè)的實(shí)測(cè)坑透場(chǎng)強(qiáng)分布曲線，同過(guò)根據(jù)上下巷多個(gè)發(fā)射點(diǎn)上所測(cè)的交匯場(chǎng)強(qiáng)，利用SIRT 算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques，同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù)），計(jì)算得到單個(gè)曲線的吸收系數(shù)值，進(jìn)一步利用整個(gè)工作面內(nèi)所有接收曲線的吸收系數(shù)，經(jīng)過(guò)工作面的網(wǎng)格計(jì)算，最終反演成像。

根據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)分布圖可分析共發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)2處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)，如圖6 所示。

圖6 8470 工作面地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)示意Fig.6 The geological structure abnormal area of No.8470 Face

K1 位于運(yùn)料巷190~580 m 和溜子道40~510 m，K1 異常區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造過(guò)于復(fù)雜，斷層影響相互疊加，從坑透曲線很難分辨斷層的具體走向，從接收信號(hào)分析斷層整體影響已大于1/2 煤厚。在K1 異常區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)短軸大于20 m 的陷落柱發(fā)育。

K2 位于運(yùn)料巷760~1 010 m，工作面內(nèi)距運(yùn)料巷14~55 m，分析為巷道揭露斷層在工作面內(nèi)的延伸，斷層落差小于1/2 煤厚。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)瞬變電磁、電測(cè)深技術(shù)基本查明了羊東礦8470 工作面探測(cè)范圍內(nèi)煤、巖層的富水情況，且判定在探測(cè)控制范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)水文地質(zhì)異常。工作面內(nèi)圈定的2 處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。K1 因異常范圍較大，異常區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，但未發(fā)現(xiàn)短軸大于20 m 的陷落柱。K2 為巷道揭露斷層在工作面內(nèi)的延伸，對(duì)工作面回采影響較小。從上述物探工作的設(shè)計(jì)、布置、分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)工作面底板探測(cè)，尤其是在承壓開(kāi)采工作面中雙方法探測(cè)的必要性。特別是大埋深工作面，其要求保證隔水層厚度的完整性，采用多手段驗(yàn)證探查，才是煤礦安全生產(chǎn)的保證。