山西三元煤業4326工作面煤層頂底板富水性探測與分析

李 朋

（山西三元煤業股份有限公司）

在富水區或潛在導水通道的位置及其分布范圍相對于周圍煤巖層都有明顯的電性差異，含水巖層會表現低電阻率特性，否則會表現為相對高阻特性。當存在局部異常體，如采空區、斷層、溶洞穴、裂隙帶等并充水時則表現為局部低阻異常區；而裂隙比較發育的斷層帶或且有一定規模的采空區不充水時則表現為相對高阻異常區。本研究采用理論分析、現場原位測試（音頻電透視法）等技術，針對4326 工作面范圍內煤層頂底板煤巖段富水性進行探測研究，為煤礦水害防治、安全生產等提供科學依據［1-7］。

1 工作面概況

三元煤業現開采3 號煤層，平均厚度為7.3m，煤層傾角為1°～11°，為黑色塊狀或粉末狀，光亮型煤，玻璃光澤參差狀斷口，節理裂隙為黃鐵礦等充填。煤層賦存穩定，亮煤為主，暗煤次之，半亮型煤，結構簡單，全區穩定可采煤層，煤層及頂底板巖性見表1。開拓方式為立井開拓，單一水平開采，在煤礦中部沿南北方向布置膠輪、皮帶和回風大巷。4326 回采工作面東為四采區準備巷道，西為實體煤（靠近DF1 斷層）。工作面回風順槽長2 410 m，運輸順槽長2 270 m，切眼寬241.5 m，開采標高為+501～+582 m。

兩順槽揭露工作面整體地質構造簡單，煤層賦存穩定，局部煤層節理、裂隙較發育。根據4326風運兩巷實測標高和煤層底板等高線分析，4326 工作面存在3 條褶曲構造，分別距切眼292 m 向斜，距切眼1 010 m 背斜，距切眼1 290 m 背斜，未發現其他斷層和較大褶曲構造，但不排除回采期間揭露隱伏地質構造或者受斷層影響伴生小型地質構造。

2 水文地質情況

據地面調查資料，4326 工作面地表無水體。根據周邊鉆孔資料分析，該區域第四系厚度為70～144 m，基巖厚度211～317 m，加之各隔水層的作用，回采期間導水裂隙帶遠不足以溝通上覆含水層，對本區域生產影響不大。

根據地質鉆孔資料，煤層頂板K8 砂巖水距頂板約41m，回采過程中可能導通上覆頂板砂巖含水層和K8 砂巖含水層。頂板砂巖水單位涌水量為0.016 3 L/（s·m），滲透系數為1.810 m/d，水質類型HCO3-Na型，富水性弱—中等，預測工作面頂板淋水量為0.5～3 m3/h。

4326 工作面底板標高在+501～+582 m，礦井水文觀測孔實測奧灰水位在+649～+651 m，該工作面進入帶壓區域，根據附近901 號和1101 地質鉆孔資料，底板最大突水系數0.018 MPa/m，該段小于受構造破壞突水系數0.06 MPa/m，屬于相對安全區域；根據901號地質鉆孔資料，底板砂巖含水層距3號煤層底板約7 m，根據掘進期間富水異常區專項探測成果分析，K7 富水異常區均已探明，未發現有出水現象。但不排除回采過程中受采動影響出現底板出水的可能，在回采過程中底板破壞裂隙帶可能導通下覆底板K7砂巖含水層或工作面底板下方存在的隱伏導水通道。

3 頂底板富水性探測方案

音頻電透視方法主要探查工作面頂底板內部的電性變化，對采長較大的工作面還具有探測工作面內部地質構造的優勢。工作面音頻透視現場施工在工作面一順槽進行發射，對應巷道進行扇形掃描接收（圖1），達到探測工作面內部導、含水構造的目的。

本次音頻電透視的工作區域測點布置以切眼為起點，用皮尺量距，以10 m 為點距，在4326 運輸順槽布置228 個測點，編號依次為1#～228#；在4326 回風順槽布置241 個測點，編號依次為1#～241#。4326 工作面頂板探測共布設470 個測點。發射（供電）點距50 m，運輸順槽46 個發射點，回風順槽49 個發射點，共計95 個；接收點距10 m，運輸順槽228 個接收點，回風順槽241 個接收點，共計469 個。4326 工作面順煤層探測共布設470個測點。發射（供電）點距50 m，運輸順槽46 個發射點，回風順槽49 個發射點，共計95個；接收點距10 m，運輸順槽228個接收點，回風順槽241 個接收點，共計469 個。4326 工作面底板探測共布設470個測點。發射（供電）點距50 m，運輸順槽46個發射點，回風順槽49 個發射點，共計95 個；接收點距10 m，運輸順槽228 個接收點，回風順槽241 個接收點，共計469個。

工作面兩順槽均采用錨網支護，回風順槽距離切眼890～900 m 頂板存在滴水現象，其他區域較干燥，運輸順槽整體干燥，探測點附近無鐵軌、支架、綜掘機等大型金屬物體；施工期間巷道內供電均處于閉鎖狀態，整體環境滿足探測條件要求。

音頻電透視法在采煤工作面的兩巷道間進行，每隔10 m 布設1 個測量點，每50 m 布設1 個發射點。對應每個發射點，在另一個巷道的扇形對稱區間進行觀測，以確保采面內各單元有2 次以上覆蓋。MN 測量電極垂直巷道走向，打在堅實的原生巖層上，以避免電極極化不穩定現象。兩巷道內探測時，供電、接收點位置采取了避開滴、淋水區；電極布置于巷道中部；接收電極MN 連線垂直順槽走向。井下物探施工時，回風順槽、膠運順槽均有排水管、供電電纜，但因物探使用低頻工作，這些因素對物探信號影響較小。

對YBT32 音頻電透視儀的穩定性開展試驗工作，現場在同一點位使用相同儀器，采用同一參數進行反復觀測，計算2組采樣數據的相對均方誤差以分析儀器的穩定性。根據以往的探測經驗和4326工作面情況，本次探測使用128 Hz 和16 Hz 頻率，90 V 供電。試驗工作于工作面切眼位置開展，現場在運輸順槽切眼位置布置1 道發射點，對向回風順槽布置8道接收點，3 次采用128 Hz、90 V 電壓供電發射、接收，通過對接收到的電壓、電流值進行對比，數據值變化較小，偏差在0.1～0.2，其誤差小于5%，說明儀器設備穩定性良好。

4 探測結果分析與富水性劃定

本次音頻電透視勘探深度參照頻率域電場理論及實際勘探經驗，勘探采用16 Hz 和128 Hz 2 個頻率測試，分別反映探測深度40～80 m和0～40 m。在地層層位分布穩定、巖性相對均一的情況下，電性分布穩定，視電導率等值線分布均勻、變化平緩。若存在含、導水構造，電性分布均勻規律被打破，反映在圖上為視電導率值增大，視電導率等值線扭曲，變形為圈閉或者呈條帶狀。

4.1 坐標系統建立與工作面模擬

坐標系建立以4326 工作面運輸順槽切眼位置作為坐標原點，沿4326運輸順槽指向巷道開口位置方向為X軸正向，垂向運輸順槽指向回風順槽方向為Y軸正向（圖2）。4326工作面內可用導線點坐標及底板高程數據進行工作面數值模擬及3D建模。

4.2 探測成果綜合分析

頂板16 Hz 工作頻率探測視電導率異常成果圖（圖3（a））顯示，該工作頻率主要反映頂板上方40～80 m 層段范圍地層地電特征，視電導率值較均一，未劃分異常區，認為煤層頂板40～80 m 層段內砂巖含水層富水性很弱。128 Hz 工作頻率主要反映頂板上方0～40 m 層段范圍地層地電特征，電導率值較均一（圖3（b）），認為煤層頂板0～40 m 層段內砂巖含水層富水性很弱。

順煤層探測視電導率異常成果圖（圖4）顯示，整體視電導率值較均一，因此未劃分異常區，綜合分析工作面內富水性很弱。

底板16 Hz 工作頻率探測視電導率異常成果見圖5（a），該工作頻率主要反映底板下方-40～-80 m 層段范圍地層地電特征，共圈定2 處高視電導率異常（編號為YC1、YC3）。128 Hz 工作頻率主要反映底板下方0～-40 m層段范圍地層地電特征（圖5（b）），分析共圈定3 處高視電導率異常（編號為YC1～YC3）。YC1 異常區橫向距切眼150～400 m 處，呈條狀分布，影響面積約60 000 m2，該區域位于向斜軸部區域，綜合分析認為該異常為向斜軸部底板砂巖含水層和灰巖含水層局部富水所致，影響程度較大。YC2異常區橫向距切眼550～930 m 處，呈條狀分布，影響面積約48 000 m2，分析可能為底板K7 砂巖含水層局部富水所致，影響程度較小；YC3異常區靠近回風順槽，橫向距切眼1 370～1 650 m 處，呈條狀分布，影響面積約16 700 m2，該區域位于向斜軸部附近，綜合分析認為該異常為受向斜影響底板砂巖含水層和灰巖含水層局部富水所致，影響程度較大。

5 結論

（1）本次物探工作使用音頻電透視技術探測了4326 工作面頂底板0～80 m 方向范圍內的異常分布特征，運輸順槽探測長度2 268 m，回風順槽探測長度2 400 m；通過數據處理分析解釋，在工作面頂底板80 m范圍內圈定3處視電導率異常區域（YC1～YC3），YC1和YC3異常區分布在向斜軸部區域附近，發育深度位于煤層底板0～-80 m 范圍，綜合分析為受向斜軸部影響煤層底板砂巖和灰巖含水層局部富水所致，YC2 異常區發育深度位于煤層底板0～-40 m 范圍，分析可能為底板K7砂巖含水層局部富水所致。

（2）由于井下電法探測深度的限制，實際上成果資料反映的水文地質信息僅局限于一定深度（或高度）范圍內地層的水文條件，而礦井涌水的變化不僅受井下電法涉及區域地層的水文地質條件，還與測區外的含水構造的發育、連通情況、補給源、水頭壓力及煤層厚度、采煤方法、回采速度等諸多因素相關。隨著上述因素的不同變化，涌水量、涌水位置、時間也會在一定程度上變化。