沖積層下煤層頂板水害探測與防治技術研究

胡穎棟,蕭文浩

(1.山西潞安礦業(集團)有限責任公司 古城煤礦,山西 長治 046000;2.中國礦業大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

近年來,由于經濟發展需要,煤炭資源需求量居高不下,導致開采條件日益復雜,尤其是深部礦區的礦井水害問題時有發生,嚴重威脅開采安全。煤礦水害方面的研究內容主要集中在礦井水文地質條件探查、礦井突水危險性理論計算與綜合評價、礦井水害預防與治理技術等方面[1-5]。低阻特征的含水體對地電場響應敏感,因而可采用礦井直流電法[6-7]、并行電法[8-9]、瞬變電磁法[10-11]等查明礦井水害問題。我國在20世紀60年代就已經開展過礦井直流電法的研究,隨后逐步發展成高密度電法技術,集電測深法、電剖面法于一體,提升了采集效率。在不斷的應用、研究過程中,21世紀出現的網絡并行電法技術[12],以陣列式和多電場并行高效采集優勢得到廣泛應用[13]。并行電法技術突破了裝置的概念,自動對測線中所有電極進行排列組合,結果包含所有裝置形式;采集時間呈電極數量的平方倍縮短,測線電極數越多時優勢越明顯,為精細化探測奠定了基礎。隨著網絡技術的引入,地電場勘探逐步走向4D化監測預警體系。本文結合數值模擬及某礦16041工作面頂板水害探測實測數據,采用網絡并行電法三維采集技術,獲取頂板局部富水的響應特征,并提出相應的水害防治措施,為該類特殊地質條件下的煤層開采提供指導。

1 地質概況

某礦16041工作面位于礦井北翼,所屬盤區為西六盤區。16041上巷道、下巷道、切眼和聯絡巷的長度分別為1 121.42 m、1 121.42 m、109.80 m和109.80 m.其采掘工程平面圖如圖1所示。工作面內開采煤層為二1煤層,頂板標高為-419.9～-467.6 m,對應地面位置標高為+85.4～+86.4 m,煤層位于山西組底部,賦存穩定,厚度為5.8～6.5 m,平均為6.21 m,煤層結構簡單。煤體主要為原生結構煤,斷層附近存在少量的碎粒結構煤。煤層傾角1°～6°,平均傾角為4°.16041工作面二1煤層頂板基巖厚度為36.4～59.3 m,煤層、巖層厚度及接觸關系如圖2所示。

圖1 16041工作面采掘工程平面圖

圖2 16041工作面地層綜合柱狀圖

結合16041工作面綜合柱狀圖及水文地質資料,二1煤層頂板之上的含水層主要包括:第四系含水層,新近系中部砂礫石含水層,基巖風化帶含水層和二1煤層頂板砂巖含水層。該工作面第四系和新近系的松散地層厚度為465.3～497.8 m,平均481.55 m.

2 頂板富水性數值模擬

2.1 參數設計

根據16041工作面內或附近地質鉆孔柱狀圖、測井資料設置頂板巖層地電模型各項參數。煤層厚度為6 m,電阻率設置為360 Ω·m;頂板第1層覆蓋砂質泥巖,厚度15 m,電阻率設置為70 Ω·m;第2層覆蓋細粒砂巖,厚度5 m,電阻率設置為180 Ω·m;第3層為砂泥巖互層,厚度25 m,電阻率設置為40 Ω·m;第4層為砂質粘土層,厚度40 m,電阻率設置為20 Ω·m;第5層為砂泥巖互層,厚度15 m,電阻率設置為30 Ω·m.

施工時沿16041工作面內幫布置測線,其內幫長為1 113.9 m,寬為104.6 m.為保證數值模擬結果的準確性,需要考慮“O”型測線范圍外的地層影響。因此在地電模型設置中,模型的尺寸設置為測線長、寬、高的2～3倍。即模型長度設置為3 000 m,寬度設置為300 m,頂板巖層總厚度設置為100 m.并行電法三維觀測系統布置在巷道煤層頂板處,呈“O”型布置,測線電極共248個,電極間距10 m,測線總長2 470 m,頂板三維觀測系統如圖3所示。相較于雙巷透視,多巷透視數據量更豐富,探測結果更準確[14]。并行電法可在一點激發時多點并行測量,形成“O”型觀測系統,可同步實現雙巷透視、多巷透視,進一步提升結果的準確性,提升采集效率。數值模擬觀測系統如圖3所示。

圖3 數值模擬觀測系統示意圖

2.2 數值模擬結果分析

煤層頂板之上主要有煤層頂板砂巖含水層、頂板風氧化帶含水層、第4系底礫含水層,為本次16041工作面頂板含水性數值模擬的主要目標層位,其數值模擬反演結果如圖4所示。其中圖4(a)、(b)、(c)分別為距離頂板不同高度的切片反演數據。

圖4 主要含水體組合數值模擬結果

數值模擬結果表明,高阻區域和低阻區域影響位置與預設模型吻合,圖4(a)、圖4(b)上均有含水體低阻異常的反映。圖4(b)和圖4(c)設置電阻率值與含水體設定電阻率值相差不大,但仍能夠從一定程度上判別含水體位置,因此可根據數值模擬中的低阻異常區域位置確定煤層頂板富水區。含水體與圍巖電阻率差值越大,在三維電阻率反演切片結果中煤層頂板富水區位置圈定越準確,該差值直接影響著并行電法的解釋精度。不同類型含水區域的空間組合地電場分布特征,可為現場數據分析解釋提供理論基礎。

3 工程應用

3.1 觀測系統布置及數據采集

試驗位置位于某礦16041工作面,沿16031上巷道、16041切眼、16041上巷道、16041工作面聯絡巷布置“O”型觀測系統,如圖5所示。起點位于16031上巷道與16041工作面聯絡巷交接處。因現場地質條件復雜,為保證數據精度,現場測試時采用的電極間距為8 m,較數值模擬時的10 m電極精度更高。按逆時針方向共布置304對(608個)雙模電極,電極采用炮泥耦合。整套探測系統的測線總長度2 424 m,完全覆蓋16041工作面所在區域,可以一次性采集全空間電場電位值,保持了電位測量的同步性,解決了不同時間測量數據的干擾問題,達到了全空間三維探測的目的。本次實測中,選用安徽惠洲地質安全研究院股份有限公司研發的YBD11并行高密度電法儀,可實現一次采集多電極同步接收,有效縮短了現場數據的采集時間。數據采集完畢后,輸入觀測系統并對所測數據進行三維數據反演,觀測系統位置及反演數據體如圖5所示。該數據體具有較大的平面范圍,適合工作面全空間三維電阻率成像,采用并行電法儀觀測不同標高的電位變化情況,通過三維電法反演得出工作面內及其頂板不同高度的電阻率分布情況。

圖5 16041工作面觀測系統及反演數據體

3.2 探測結果分析

綜合分析本次探測結果,得到此次16041工作面頂板三維并行電法探測數據電阻率整體規律為:靠近煤層頂板區域巖層電阻率表現為相對高阻區,其平均電阻率阻值高于60 Ω·m;遠離煤層頂板區域巖層電阻率表現為相對低阻區,其平均電阻率阻值低于10 Ω·m.推斷認為,上述高、低阻特征是由圍巖整體電阻率值高于松散粘土層的電阻率值造成的。此外,對于二1煤層頂板不同高度的電阻率切片(如圖6所示),靠近電阻率切片的右側區域表征為相對低阻異常區(見圖6中異常1),且隨著高度的增加,該低阻閉合區域的面積呈現先減小而后逐漸增大的趨勢。該低阻區域靠近斷層,該區域電阻率特性受到斷層富水影響,表現為低阻特征。此外,在16041工作面頂板上部40 m電阻率切片,靠近電阻率切片的左側區域(對應電法測線1 000 ～ 910 m位置)表征為相對低阻區,疑似為異常區域(見圖6中異常2),該區域對應16041工作面局部含水構造影響的區域。煤層頂板上方52 m位置切片中出現大片低阻,推斷為是受上方低阻松散粘土層影響所致。由于該層厚度大于其余巖層,且該位置逐漸遠離頂板上覆高阻圍巖,因此主要呈第四系厚松散層的低阻特征。

圖6 煤層頂板不同高度電阻率切片

3.3 水害防治措施分析

基于并行電法的頂板水害探測結果,結合水文地質分析可知,此工作面頂板富水性整體不強,沖積層底部隔水層較為穩定,厚度符合開采要求,局部富水性大概率為砂巖裂隙水,與第四系未有明顯的連通。因此,在此工作面開采前,可進一步采用鉆探方式對局部異常區進行探測與疏放,回采過程做好頂板涌水量的觀察與統計,保障煤層開采安全。

4 結 語

1) 厚沖積層煤層頂板數值模擬結果顯示,不同類型含水體在電阻率三維數據體切片圖上有明顯的電阻率異常反映。通過對不同深度切片圖的分析,不僅可以確定含水異常體的大致深度,還能反映含水體的規模。16041工作面現場實測數據表明,實測結果與數值模擬吻合度高,實際測量所確定的兩處低阻異常區在數值模擬中亦有體現,兩者的相互印證可有效確定頂板的富水性、規模及位置,為后續工作面安全生產提供指導。

2) 文章研究表明,采用并行電法技術對頂板水害進行精細探測,并基于探測結果結合水文地質信息,可針對性地提出水害防治措施,對異常區域進行打鉆驗證以進一步確定其實際地質狀態,加強水量觀測與頂板管理工作,及時排除安全隱患,完善相應的預測預警體系,進一步保障沖積層下煤層開采安全。