陷落柱構造影響工作面瞬變電磁監測技術應用研究

吉繼有

（山西省忻州市神達能源集團有限公司，山西 忻州 034000）

1 概 況

李村煤礦1306 工作面煤層厚度4.81～5.46 m，平均5.0 m。1306 工作面開采3 號煤，采用一次采全高工藝；工作面共布置2 條巷道，其中1306 進風巷為進風、主運輸巷，1306 回風巷為回風巷。1306 工作面總體地勢西南高東北低，總體呈一單斜構造，傾向209°～252°，傾角0～7°。1306 進風巷預計掘進至距離切眼以東535 m處遇一個三維地震資料解釋的小型陷落柱（D194），預計大小為10 m×18 m；預計掘進至距離切眼以東380 m 處遇一個三維地震資料解釋的大型陷落柱（CX1），預計大小為112 m×58 m。1306 回風巷預計掘進至距離切眼以東445 m 處遇一個三維地震資料解釋的陷落柱（D-196），預計大小為50 m×39 m。1306 工作面布置及陷落柱預計分布情況如圖1 所示。

圖1 工作面平面布置Fig.1 Plane layout of working face

2 工作面水文地質條件分析

李村煤礦1306 工作面煤層頂板直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層，該含水層賦水性一般較弱，富水性分布不均，補給性差，可能通過頂板裂隙通道和斷層構造等途徑導入工作面，對工作面影響主要表現為頂板淋滴水和發潮，涌水量在1～3 m3/h，易于防治，在斷層、陷落柱構造附近，涌水量可能增大，因此山西組砂巖含水層對1306 工作面回采影響較小。

底板水害主要來源于底板奧灰水，礦井全井田承壓開采，1306 工作面3 號煤底板隔水層厚度為84～118 m，平均隔水層厚度100 m，帶壓值為0.86～3.44 MPa，突水系數為0.009～0.034 MPa/m，雖小于底板受構造破壞地段突水系數0.06 MPa/m，但是工作面范圍內存在多個陷落柱構造，且在巷道掘進過程中揭露陷落柱期間，涌水量出現明顯的增大趨勢，因此為保證工作面的安全高效生產，有必要進行陷落柱富水情況的探查及治理。

3 陷落柱富水情況瞬變電磁監測技術

斷層、陷落柱等構造的存在會增大巷道掘進期間及工作面回采期間底板的突水危險性，陷落柱引起煤層內異常富水形式如圖2（a） 所示，因此在巷道掘進工作面及回采工作面通過構造影響區域時，需要探明周邊圍巖的富水情況并采取適當的處理措施。

圖2 陷落柱富水探測原理示意圖Fig.2 Detection principle of water abundance of collapse column

礦井瞬變電磁監測技術是在地面瞬變電磁法的基礎上，通過多次連續探測得到多個瞬變電磁響應結果，綜合分析電磁響應特征進行富水異常體的定位。巷道內環境復雜，進行礦井瞬變電磁探測時存在諸多的型號干擾因素，如U 型鋼、風筒等金屬構件，影響異常解釋，易出現定位不準、誤判等問題，瞬變電磁監測技術通過在不同掘進位置進行超前探測，數次探測到的異常體位置會發生改變，電磁響應特征在橫向方向上分別率較明顯，因此對于角度的變化比較靈敏，根據異常體相對位置的變化可更加準確的確定異常體的位置，原理如圖2（b）所示。

4 瞬變電磁監測技術的應用

4.1 1306 進風巷超前監測

此次掘進巷道超前監測地點位于李村煤礦1306 進風巷，采掘活動即將掘進至DX8 號陷落柱附近，并將揭露D-194 號陷落柱，但陷落柱富水情況不明，需查明1306 進風巷-520 m 前方580 m范圍內煤層富水情況，確定異常含水區域的大致方位，為疏放鉆孔的設計提供參考。

采用瞬變電磁監測技術進行陷落柱富水情況的探查，YCS360A 礦用多通道瞬變電磁儀成套探測和數據采集設備如圖3（a） 所示。在不同的位置進行超前探測時，位置的選擇對于探測結果的準確性尤為重要，測點最好位于目標的左右兩側，這樣有利于對目標異常區的定位的準確度。此次探測共選擇2 個探測位置，分別為1306 進風巷-505 m 和-525 m，2 個測站位置間距離為25 m，均采用扇形觀測方式，每次探測設置11 個探測方位，探測角度為巷道軸線兩側各60°，探測范圍為120 m，探測方式如圖3（b） 所示。

圖3 掘進迎頭超前探測方案Fig.3 Advanced detection scheme of heading face in excavating

對1306 進風巷掘進工作面瞬變電磁數據進行處理后得到視電阻率剖面圖，如圖4 所示。位置1探測結果如圖4（a） 所示，探測范圍內共出現3處較為明顯的低阻異常區域，其中巷道掘進迎頭正前方的2 個低阻異常區分布范圍小、視電阻率降幅較小，綜合分析后確定需重點關注的YCA 低阻區域，該區域在X 方向分布范圍為25～55 m，在Y方向分布范圍為20～50 m，與DX8 號陷落預測結果相近，推斷該區域具有一定的富水性；位置2 探測結果如圖4（b） 所示，探測出的YCB 富水異常區與位置1 測得的結果相對應，驗證了該陷落柱的富水性，并更好的確定該富水區域的方位。

圖4 掘進迎頭超前探測結果Fig.4 Advanced detection results of heading face in excavating

共設計6 個鉆孔對該區域進行疏放，通過3 d共疏放約2 800 m3，瞬變電磁探測結果基本與實際情況相符。

4.2 陷落柱疏放水監測

1306 工作面開采期間會引起陷落柱進一步活化，陷落柱內部及周邊圍巖裂隙是良好的導水通道，存在一定的富水性可能，且存在導通下部奧灰承壓含水層的可能，為確保工作面回采安全，需對工作面范圍內的陷落柱展開探查、治理、監測工作，因此采用瞬變電磁法進行1306 工作面陷落柱富水情況的監測。

以1306 進風巷揭露的CX1 陷落柱為例，在回風巷內向實體煤壁內探測，50 m 陷落柱區域加密測點布置，測點間距5 m，其余部分測點間距10 m，共布置150 m 測線，分別進行順層方向和頂板15°方向探查，根據探測結果設計鉆孔對富水異常區進行疏放，疏放后再次進行探測，疏水前后電阻率剖面圖如圖5 所示。

圖5 1306 進風巷側CX1 陷落柱附近探測結果Fig.5 Detection results near the CX1 collapse column on the side of No.1306 air intake roadway

綜合分析可知，初次探測時，CX1 陷落柱順層方向和頂板15°方向均存在3 個明顯的低阻區域，命名為YC1、YC2、YC3，2 個探測方向的3 個異常區相對應，可判定此陷落柱區域存在一定的富水性，由此設計鉆孔進行疏放。根據疏放后電阻率剖面圖可以看出，疏放后也存在3 處明顯的低阻異常區，分別明顯為YC4、YC5、YC6，與疏放前的3個異常區一一對應，異常區的分布范圍較疏放前明顯減小，低阻阻值也明顯降低，說明打鉆疏放水效果較好，異常富水區的富水性得到顯著降低。在工作面后續生產期間，應定期進行陷落柱富水情況的探查、監測，對于出現異常變化的富水區域，采取鉆孔疏放、注漿等治理措施，可保證工作面的生產安全。

5 結 語

以李村煤礦1306 綜采工作面為工程背景，應用礦井瞬變電磁法進行回采巷道掘進及工作面開采期間陷落柱構造附近富水情況的探測，根據實踐應用表明瞬變電磁監測技術主要具有兩大作用：一是該技術可對探測范圍內圈定異常富水區域的可信度及范圍進行驗證，并且可使圈定異常區的位置、范圍判斷更加精確，為異常富水區的鉆探驗證、治理提供指導；二是可采用該技術對疏放水、注漿加固治理區域的富水情況進行持續監測，驗證治理的效果，為工作面的安全生產提供支撐。瞬變電磁法監測技術具有可行性，可在相似地質條件下礦井進行推廣應用。