煤礦老空工作面和相鄰工作面物探資料對(duì)比分析研究

郭紹華，張 東

（1.中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；3.礦井水害探測(cè)與防控國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；4.礦井物探河北省工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

老空區(qū)是煤礦工作面開(kāi)采過(guò)后留下的空間。采掘過(guò)后老空區(qū)內(nèi)會(huì)隨時(shí)間積累地下水，稱為老空水。而工作面回采造成附近巖層應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化并重新分布，影響時(shí)期在回采結(jié)束后仍將長(zhǎng)期存在，這就對(duì)鄰近工作面的安全回采產(chǎn)生影響。鄰近煤層回采后，采空區(qū)的上覆巖層將垮落并下沉，形成裂隙發(fā)育區(qū)域。采空區(qū)底板巖層，會(huì)逐漸隆起形成一個(gè)連續(xù)的滑移面，對(duì)鄰近巖層的底板造成破壞。

綜合物探方法是指采用包括瞬變電磁、幅頻電透視、電法測(cè)深、無(wú)線電波坑道透視等技術(shù)相結(jié)合的施工及解釋方法。根據(jù)煤巖層可能存在的各種含水和地質(zhì)構(gòu)造隱患分布情況，無(wú)盲區(qū)全方位覆蓋的對(duì)工作面外圍及斜上方、斜下方進(jìn)行探測(cè)、控制。綜合物探方法已經(jīng)成功的運(yùn)用在全國(guó)各個(gè)地區(qū)礦井物探中，并取得了非常好的效果，為煤礦安全回采提供了保障。

本文對(duì)比分析了西龐礦9118 工作面和9302 工作面的綜合物探成果，比較其中差異和共同點(diǎn)，分析老空區(qū)的存在對(duì)鄰近工作面物探結(jié)果影響。

1 工程概況

西龐礦9302 和9118 工作面處于擴(kuò)延區(qū)三采區(qū)南翼，煤層呈單斜構(gòu)造（圖1）。92 煤厚度為2.05～2.48 m，平均為2.23 m，92 煤與93 煤夾矸為炭質(zhì)泥巖，厚度在0.46 m 左右，93 煤厚度為2.55～3.12 m，平均為2.95 m，含1 層厚度為0.05 m 左右的泥巖夾矸。工作面煤層傾向變化較大，傾向NEE～SEE，煤層傾角變化不大，為7°～16°。

圖1 9118、9302 工作面工程平面圖Fig.1 Engineering plane of No.9118,9302 Face

大青灰?guī)r位于9 號(hào)煤頂板上平均17.7 m，厚度4.4 m，是工作面頂板淋水的主要水源。大青灰?guī)r層位穩(wěn)定，但含水性不均一，易疏放，為局富水性強(qiáng)的溶洞裂隙承壓含水層，工作面掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)工作面影響不大。本溪灰?guī)r厚度在1.40～4.75 m，該含水層在9 號(hào)煤底板下18 m 左右，本溪灰?guī)r亦屬承壓水，本溪灰?guī)r向礦井充水的方式主要是通過(guò)9 號(hào)煤采后所產(chǎn)生的底板破壞裂隙上升到煤層。

9 號(hào)煤底板距奧陶系含水層39.69 m，奧陶系含水層是威脅9 號(hào)煤開(kāi)采的主要含水層，具有出水水量大，難于治理的特點(diǎn)。9 號(hào)煤層底板下伏奧陶系灰?guī)r含水層，其厚度大，富水性強(qiáng)，是上覆煤層開(kāi)采最危險(xiǎn)的底板突水水源，奧灰突水一般具有發(fā)生突然、來(lái)勢(shì)迅猛、涌水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，奧灰水是影響9 號(hào)煤開(kāi)采安全的主要水害因素。

2 物探資料對(duì)比

2.1 無(wú)線電波坑道透視

坑透的工作目的是探明9118 和9302 工作面內(nèi)部是否存在影響工作面安全回采的地質(zhì)異常體。沿其上下巷分別布置發(fā)射點(diǎn)接收點(diǎn)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)在對(duì)巷接收15 個(gè)點(diǎn)，接收點(diǎn)間距10 m，探測(cè)成果圖如圖2、圖3 所示。

圖2 9118 工作面無(wú)線電波坑道透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖Fig.2 The measured field strength curve of radio wave tunnel perspective in No.9118 Face

圖3 9302 工作面無(wú)線電波坑道透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖Fig.3 Measured field strength curve of radio wave tunnel perspective in No.9302 Face

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比分析，鄰近采空區(qū)對(duì)現(xiàn)有工作面的坑透成果一般不會(huì)產(chǎn)生延伸影響。但對(duì)比分析可知，采空區(qū)工作面如果存在煤層變薄帶、斷層、跨巷道陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，可推斷其對(duì)現(xiàn)有工作面的影響，結(jié)合物探成果著重分析其范圍。

2.2 電測(cè)深

探測(cè)區(qū)域?yàn)?118 和9302 工作面上下兩巷，測(cè)點(diǎn)間距為20 m，物理測(cè)深為80 m，測(cè)量極距步長(zhǎng)5 m，探測(cè)成果如圖4、圖5 所示。圖中橫坐標(biāo)為巷道相對(duì)位置，縱坐標(biāo)為探測(cè)深度。圖中曲線為電阻率對(duì)數(shù)指標(biāo)等值線，不同色界代表視電阻率相對(duì)高低，數(shù)值越小，視電阻率越?。▓D中深色區(qū)域），含水性相對(duì)也越強(qiáng)。

圖4 9118 工作面電測(cè)深解析圖Fig.4 Analysis diagram of electric depth-measurement in No.9118 Face

圖5 9302 工作面電測(cè)深解析圖Fig.5 Analysis diagram of electric depth-measurement in No.9302 Face

在9118 工作面的電測(cè)深成果中，共圈定了7處（C1～C7）電測(cè)深異常區(qū)，富水區(qū)集中在本灰及奧灰層位，具體每個(gè)異常的位置及分析如下。

C1 位于上巷320～410 m，底板下15～50 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C2 位于上巷470～550 m，底板下20 m 以深，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C3 位于上巷620～780 m，底板下20 m 以深，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C4 位于上巷930～1 050 m，底板下15～70 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C5 位于下巷560～680 m，底板下10～50 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C6位于下巷780～900 m，底板下15～50 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。C7 位于下巷940～1 060 m，底板下30 m 以深，分析為奧灰局部破碎含水反應(yīng)。

在9302 工作面的電測(cè)深成果中，共圈定了2處（C1、C2）電測(cè)深異常區(qū)，富水區(qū)集中在本灰及奧灰層位。具體每個(gè)異常的位置及分析如下。

C1 位于軌道巷110～180 m，底板下40～70 m，分析為底板下巖層破碎含水反應(yīng)。C2 位于軌道巷440～500 m，底板下55～70 m，分析為底板下巖層破碎含水反應(yīng)。

9118 下巷和9302 上巷之間僅有5 m 厚度的煤柱間隔，從電測(cè)深技術(shù)原理角度和空間位置上考慮，其探測(cè)成果應(yīng)具有相似性。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，9302 上巷較9118 下巷電測(cè)深電阻率對(duì)數(shù)值明顯偏高，9302 下巷的電阻率對(duì)數(shù)值較9118 上下巷的成果均較高，本灰及奧灰層位的電阻率對(duì)數(shù)值在9302 工作面電測(cè)深成果中比9118 工作面高。

2.3 幅頻電透視

探測(cè)范圍為9118 和9302 整個(gè)工作面，沿上下巷分別布置發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)，發(fā)射點(diǎn)間距為60 m，接收點(diǎn)間距10 m，每個(gè)接收點(diǎn)接收15 個(gè)點(diǎn)。幅頻探測(cè)范圍為工作面底板下方1/2 采寬范圍內(nèi)巖層含水情況。具體如圖6、圖7 所示，圖中曲線為電導(dǎo)率等值線，不同色界代表視電阻率相對(duì)高低，數(shù)值越大，視電阻率越小（圖中深色區(qū)域），富水性相對(duì)也越強(qiáng)。

圖6 9118 工作面幅頻電透成果Fig.6 Amplitude frequency electrical perspective results of No.9118 Face

圖7 9302 工作面幅頻電透成果Fig.7 Amplitude frequency electrical perspective results of No.9302 Face

9118 工作面幅頻電透視工作共圈定3 處低阻異常區(qū)（F1～F3），具體每個(gè)異常的位置及分析如下。9302 工作面的幅頻電透視未圈定明顯的相對(duì)低阻區(qū)域。

F1 位于工作面上巷430～460 m 與下巷460～500 m 連線區(qū)域，該異常貫穿工作面。F2 位于工作面上巷740～780 m 與下巷720～810 m 連線區(qū)域，該異常范圍較大且貫穿工作面。F3 位于工作面上巷940～960 m 與下巷940～960 m 連線區(qū)域，該異常貫穿工作面。

9118 和9302 工作面的寬度相似，依據(jù)幅頻技術(shù)原理，其探測(cè)解釋的深度范圍基本一致。從結(jié)果分析，9302 工作面較9118 工作面的電導(dǎo)率值較低，視電阻率值較高，富水性整體較差。

2.4 瞬變電磁

探測(cè)范圍為9118 和9302 整個(gè)工作面，測(cè)點(diǎn)間距均為10 m，發(fā)射頻率均為25 Hz。瞬變電磁儀的發(fā)射框尺寸1 m×1 m，接收線框?yàn)?D 線框。積分時(shí)間15 s，數(shù)據(jù)采集采用30 門，具體的探測(cè)角度如圖8、圖9 所示。

圖8 9118 工作面瞬變電磁探測(cè)角度設(shè)計(jì)示意Fig.8 Design of transient electromagnetic detection angle of No.9118 Face

圖9 9302 工作面瞬變電磁探測(cè)角度設(shè)計(jì)示意Fig.9 Design of transient electromagnetic detection angle of No.9302 Face

經(jīng)室內(nèi)TEMINT 專用解析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析處理，繪制每個(gè)角度的電阻率對(duì)數(shù)等值線斷面圖，并在此基礎(chǔ)上繪制9118 和9302 工作面本灰和奧灰層界面剖面圖（圖10～圖13），不同色界代表視電阻率相對(duì)高低，數(shù)值越小，視電阻率越低，富水性相對(duì)越強(qiáng)。

圖10 9118 工作面瞬變電磁本灰層位切片圖Fig.10 Transient electromagnetic slice diagram of Benxi limestone layer of No.9118 Face

由圖10～圖11 可知，9118 工作面瞬變電磁圈定2 處相對(duì)低阻異常區(qū)（S1、S2），具體位置及解析如下。

圖11 9118 工作面瞬變電磁奧灰層位切片圖Fig.11 Transient electromagnetic slice diagram of Ordovician limestone layer of No.9118 Face

S1 平面位置位于下巷550～690 m，向工作面內(nèi)延伸30 m，向工作面外延伸40 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。S2 平面位置位于工作面820～1 030 m，工作面及下巷向工作面外延伸20 m，分析為本灰及奧灰局部破碎含水反應(yīng)。

由圖12～圖13 可知，9302 工作面瞬變電磁圈定4 處相對(duì)低阻異常區(qū)（S1～S3），具體位置及解析如下。

圖12 9302 工作面瞬變電磁本灰層位切片圖Fig.12 Transient electromagnetic slice diagram of Benxi limestone layer of No.9302 Face

圖13 9302 工作面瞬變電磁奧灰層位切片圖Fig.13 Transient electromagnetic slice diagram of Ordovician limestone layer of No.9302 Face

S1 平面位置位于工作面軌道巷135～210 m，向外幫延伸40 m，深度在工作面底板奧灰層位，分析為巖層破碎含水反應(yīng)。S2 平面位置位于工作面軌道巷360～480 m，向外幫延伸35 m，深度在工作面底板奧灰層位，分析為巖層破碎含水反應(yīng)。S3 平面位置位于工作面皮帶巷1 130～1 170 m，里幫延伸30 m，外幫延伸35 m，深度在工作面底板奧灰層位，分析為巖層破碎含水反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析本灰和奧灰層位的切片圖，9302工作面瞬變電磁在同層位的電阻率對(duì)數(shù)值較高。在9302 和9118 工作面瞬變探測(cè)的重疊區(qū)域，在同層位明顯可見(jiàn)電阻率對(duì)數(shù)值的區(qū)別，代表含水性的變化明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)物探資料對(duì)比，尤其是同層位、同位置的區(qū)域，明顯的可以發(fā)現(xiàn)9302 工作面物探結(jié)果的視電阻率值均較9118 工作面較高。依據(jù)該結(jié)論，查詢相關(guān)礦方相關(guān)地質(zhì)資料，礦方對(duì)該區(qū)域奧灰和本灰層位進(jìn)行過(guò)區(qū)域注漿治理。以上對(duì)比結(jié)果不僅輔證了礦方區(qū)域治理的效果，同時(shí)也說(shuō)明工作面存在鄰近老空區(qū)時(shí)向老空區(qū)施工探測(cè)的必要性。