并行三維電法在底板灰?guī)r水防治工作中的應(yīng)用

李承軍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116;2.安徽恒源煤電股份有限公司恒源煤礦，安徽淮北 235162）

并行三維電法在底板灰?guī)r水防治工作中的應(yīng)用

李承軍1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116;2.安徽恒源煤電股份有限公司恒源煤礦，安徽淮北 235162）

恒源煤礦6煤層工作面受底板灰?guī)r水影響，在比較多種物探方法的基礎(chǔ)上，引入并行三維電法對II6111工作面在注漿前探查底板相對富水區(qū)，在鉆孔注漿加固底板后進(jìn)行注漿效果檢驗(yàn)。結(jié)果表明，該法對底板電性變化反映靈敏，對相對富水區(qū)的探測準(zhǔn)確率高。探測成果有效指導(dǎo)了該面的底板灰?guī)r水防治工作，確保了工作面安全回采。

并行三維電法;灰?guī)r水;富水區(qū);注漿

Application of Parallel3-D Electric Method in Prevention ofWater-burs t from Floor Limestone

皖北地區(qū)恒源煤礦6煤層為主采煤層，底板約50m深為太原群灰?guī)r，巖溶發(fā)育，部分采區(qū)發(fā)育有陷落柱。礦區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，砂巖裂隙水、巖溶水均給煤層工作面的開采帶來威脅。長期以來，對礦井底板水的探測主要采用高密度電法及瞬變電磁法。這兩種方法對探測巷道底板附近的富水區(qū)有一定效果，但由于所用工作方法為單巷采集電性參數(shù)，不能準(zhǔn)確探測出對富水區(qū)的平面或三維空間位置。雙巷音頻電透視法也是煤礦企業(yè)廣泛采用的地球物理方法，但由于探測的電極裝置通常布置在煤幫上，實(shí)際上是探測煤層頂?shù)装甯凰畢^(qū)的綜合影響電性分布情況，不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。并行三維電法自2005年提出以來，進(jìn)行了大量的模型和現(xiàn)場試驗(yàn)研究，取得了明顯的效果。并行三維電法采集技術(shù)，同步采集各電極點(diǎn)電位變化情況，削弱了游散電流等干擾因素對直流電法的影響，提高了直流電法采集數(shù)據(jù)的信噪比，探測可靠性明顯增強(qiáng)。特別是最近雙巷并行電法技術(shù)的提出，為煤礦工作面水害防治提供了新的探測手段。

恒源煤礦II6111工作面受底板灰?guī)r水嚴(yán)重威脅，結(jié)合以往防治水經(jīng)驗(yàn)及當(dāng)前礦井物探技術(shù)發(fā)展，為更好地防治水害，經(jīng)綜合對比分析，引進(jìn)了雙巷并行三維電法。

1 Ⅱ6111工作面概況

Ⅱ6111工作面位于Ⅱ61采區(qū)右側(cè)中下部，設(shè)計(jì)為走向長壁綜采工作面。風(fēng)巷 990m，機(jī)巷770m，平均為880m，傾斜寬為160m。工作面頂板及底板巖層含砂巖厚度較大，裂隙發(fā)育，掘進(jìn)期間巷道砂巖裂隙水涌水量達(dá)6～7m3/h，表現(xiàn)在頂板或底板斷層割切處集中出水。當(dāng)工作面回采后砂巖進(jìn)一步連通破壞，出水量有增大的趨勢。因此，認(rèn)為工作面回采過程中，存在一定的砂巖水影響。工作面底板承受太灰水壓3.01～3.63MPa。Ⅱ6111工作面平均底隔厚度52.45m，根據(jù)Ⅱ6114工作面底板震波探查資料，綜采工作面底板破壞深度14.9m，所以工作面有效隔水層厚為37.55m。據(jù)此計(jì)算出注漿改造前工作面突水系數(shù)為0.08～0.097MPa/m，里段工作面對應(yīng)的突水系數(shù)為0.08～0.089MPa/m。均超過正常塊段的臨界突水系數(shù)，若工作面不進(jìn)行注漿改造，不能保證安全回采。

為確保注漿改造效果，確定了在注漿前采用并行三維電法探查底板富水區(qū)，有針對性地進(jìn)行底板注漿工作;底板注漿加固后期，再次采用三維電法探查，通過前后電阻率值差異來檢驗(yàn)注漿效果，對殘存的較大富水區(qū)再進(jìn)行補(bǔ)充注漿，確保底板加固質(zhì)量，保障工作面不受底板灰?guī)r水威脅。

2 注漿前底板富水區(qū)探查

底板水電法探查現(xiàn)場工作于2008年11月18日進(jìn)行，在II6111工作面回風(fēng)巷和機(jī)巷施工網(wǎng)絡(luò)并行電法測線，共施工電法測線6站，每站布置電極數(shù)為64個，電極間距5m，共有測線1890m，控制巷道長度1650m，部分測線重疊。采集電流電壓數(shù)據(jù)合格，滿足三維電法反演要求。

探測結(jié)果表明，正常工作面底板共有8個電阻率異常區(qū) （圖1），其中1～7號相對低阻區(qū)可能為相對富水區(qū)，8號相對低阻區(qū)范圍電極布置于全巖巷道段，電阻率值低可能與巖性變化有關(guān)，也可能為相對富水區(qū)。在底板0～40m切面，主要為砂泥巖地層段，8個低阻區(qū)均有反映，其中低阻范圍較大、電阻率值相對較低的為1號、3號、6號、7號和8號低阻區(qū)，均延伸到灰?guī)r地層，為主要的砂巖富水區(qū)，為重點(diǎn)防治水區(qū)。2號、4號及5號低阻區(qū)主要為砂巖段富水區(qū)，在灰?guī)r段表現(xiàn)不顯著。灰?guī)r段重點(diǎn)防治水區(qū)為1號、3號、6號和7號低阻區(qū)。

圖1 工作面雙巷并行三維電法結(jié)果電阻率立體切片

3 底板注漿工程加固及注漿效果檢驗(yàn)

由于底板注漿工程量較大，為加快注漿工程進(jìn)度，促進(jìn)工作面盡早生產(chǎn)，采用分段注漿、分段檢驗(yàn)注漿效果的方式，分外段及里段進(jìn)行注漿工作。

3.1 里段底板注漿工程加固及注漿效果檢驗(yàn)

3.1.1 底板注漿工程加固

2009年4月10日Ⅱ6111工作面里段 （300m）底板注漿改造工程完成。底板注漿加固鉆孔18個，位于并行三維電法低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔，均終孔于三灰底，以便增加對相對富水區(qū)底板的加固效果。在鉆孔數(shù)的布置上，為了最大程度地對低阻區(qū)進(jìn)行加固，增加了在低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔數(shù)。根據(jù)鉆探施工情況，在8號、9號、10號鉆場底板砂巖水較豐富，均有不同程度的出水，出水原因與1號和2號物探異常區(qū)有關(guān)。從鉆探情況看工作面里段L1灰?guī)r賦水性段弱。L2和L3灰?guī)r在工作面里段范圍內(nèi)賦水性不均一，且含水性中等偏弱。

對鉆孔出水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:有8個鉆孔出水量≥20m3/h，其中5個位于1號低阻區(qū)內(nèi)，2個在低阻區(qū)邊緣，1個在低阻區(qū)外，可以看出對富水區(qū)的探測準(zhǔn)確性達(dá)到80%以上。10個孔出水量＜20m3/ h，僅2孔在低阻區(qū)內(nèi)，其他孔均在異常區(qū)范圍之外，表明在正常區(qū)極少存在相對富水區(qū)，少量鉆孔出水量較大可能與鉆孔通過巖溶導(dǎo)水通道有關(guān)。通過以上資料分析認(rèn)為工作面里段網(wǎng)絡(luò)并行電法資料與鉆探資料基本吻合。

鉆孔的注漿量與鉆孔出水量總體上呈正比關(guān)系，出水量越大，相應(yīng)的注漿量也越大，與鉆孔出水段附近裂隙的發(fā)育情況相吻合。

3.1.2 注漿效果檢驗(yàn)

電法檢驗(yàn)注漿效果現(xiàn)場探測工作于2009年4月19日進(jìn)行，共施工電法測線3站，控制工作面里段走向長度300m。探測結(jié)果表明，絕大多數(shù)富水異常區(qū)消失，殘留的富水異常區(qū)相互間無水力聯(lián)系，呈孤立塊段，水量補(bǔ)給微弱，對工作面里段正?；夭捎绊戄^小。

為了驗(yàn)證注漿效果，每鉆場最后施工的鉆孔作為檢查孔，檢查孔涌水量均小于同鉆場的其他鉆孔，驗(yàn)證了注漿效果的良好性。物探及鉆探檢查結(jié)果表明，經(jīng)注漿改造后，工作面里段底板有效隔水層厚度平均增加14m，注漿效果明顯，確保了工作面的安全回采。

3.2 外段底板注漿工程加固及注漿效果檢驗(yàn)

3.2.1 底板注漿工程加固

2009年7月20日Ⅱ6111工作面外段 （500m）底板注漿改造工程完成。探測范圍內(nèi)底板注漿加固鉆孔29個，位于并行電法低阻異常區(qū)內(nèi)的鉆孔，均終孔于三灰底，以便增加對低阻區(qū)底板的加固效果。根據(jù)鉆探施工情況，鉆孔的終孔層位位于三灰，多數(shù)孔均有一定量涌水，部分水量較大，可達(dá)50～100m3/h以上。注漿前一灰、二灰與三灰?guī)r段部分區(qū)段富水性較強(qiáng)，富水性有明顯不均勻性。對鉆孔出水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:出水量Q＜20m3/h鉆孔共有7個，其中5個位于圈定低阻區(qū)內(nèi)，2個在低阻區(qū)邊緣;50＞Q≥20m3/h鉆孔13個，其中7個位于圈定低阻區(qū)內(nèi)，4個在低阻區(qū)外緣附近，2個距低阻區(qū)范圍較遠(yuǎn);100＞Q≥50m3/h鉆孔8個，其中4個位于圈定低阻區(qū)內(nèi)，1個在低阻區(qū)外緣附近，3個距低阻區(qū)范圍較遠(yuǎn);Q≥100m3/h鉆孔1個，位于圈定低阻區(qū)內(nèi)。

絕大多數(shù)相對無水鉆孔位于相對正常電阻率值區(qū)，多數(shù)較大出水鉆孔位于圈定的低阻區(qū)范圍，總體準(zhǔn)確率達(dá)80%，特別對出水量相對集中的2個大出水量區(qū)域 （3號、7號異常區(qū)），圈定準(zhǔn)確。電法探測的結(jié)果指導(dǎo)了鉆孔注漿工作的順利施工。

3.2.2 注漿效果檢驗(yàn)

電法檢驗(yàn)注漿效果現(xiàn)場探測工作于2009年7月27日進(jìn)行，共施工電法測線4站，控制工作面外段走向長度500m。注漿加固后，總體上電阻率值表現(xiàn)為相對較高的電阻率值，低阻異常區(qū)顯著減少，僅原低阻異常區(qū)內(nèi)及附近仍存在小范圍相對低阻區(qū)。在各鉆場施工的檢查孔，也驗(yàn)證了注漿效果良好，證實(shí)經(jīng)注漿改造后，工作面外段底板有效隔水層厚度顯著增加，為工作面的安全回采，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 回采期間水文地質(zhì)情況

Ⅱ6111工作面從2009年6月6日開始回采，于2009年12月31日收作，前后回采時間共用7個月?；夭蛇^程中，工作面內(nèi)實(shí)際出水量明顯小于采前預(yù)計(jì)的出水量，實(shí)際出水量只有15m3/h左右。經(jīng)水樣化驗(yàn)分析，無灰?guī)r水成份，說明無灰?guī)r水出水現(xiàn)象，底板注漿效果良好。

5 結(jié)論

（1）采用雙巷并行三維電法探測II6111工作面底板砂巖及灰?guī)r段相對富水區(qū)，取得了良好的效果，有力地指導(dǎo)了底板鉆孔注漿加固工作。

（2）安全回采證實(shí)，注漿前采用雙巷并行三維電法探測工作面底板富水區(qū)指導(dǎo)鉆孔注漿工作，注漿后雙巷并行三維電法進(jìn)行注漿效果評價的防治水方案，效果直觀，技術(shù)可靠，對類似條件的底板水害防治具有指導(dǎo)意義。

［1］劉樹才，劉鑫明，姜志海，等.煤層底板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律的電法探測研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28 （2）:348–356.

［2］施龍青，惟培合，魏久傳，等.三維高密度電法技術(shù)在巖層富水性探測中的應(yīng)用［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2008，27（6）:1–4.

［3］程久龍，李 文，王玉和.工作面內(nèi)隱伏含水體電法探測的實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報，2008，33（1）:59–62.

［4］劉志新，于景村，郭 棟.礦井瞬變電磁法在水文鉆孔探測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2006，30（1）:59–61.

［5］李冬林，姜振泉，楊棟梁.煤層底板音頻電透視探測成果反映的底板阻水條件［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2005，27 （3）:68–71.

［6］李振峰，馮 磊，陳天振，等.音頻電透視儀在鐵礦巷道中的試驗(yàn)效果［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（2）.

［7］吳榮新，劉盛東，周官群.高分辨地電阻率法探測煤礦地質(zhì)異常體［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（7）:33–38.

［8］吳榮新，劉盛東，張平松，等.鉆孔并行三維電法探測煤礦灰?guī)r導(dǎo)水通道［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（S2）.

［9］吳榮新，張平松，劉盛東.雙巷網(wǎng)絡(luò)并行電法探測工作面內(nèi)薄煤區(qū)范圍［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（9）.

［10］劉盛東，吳榮新，張平松，等.三維并行電法勘探技術(shù)與礦井水害探查［J］.煤炭學(xué)報，2009，34（7）:927–932.

TD745.21

B

1006-6225（2011）04-0113-03

2011－01－04

李承軍 （1972－），男，安徽肥東人，高級工程師，在讀工程碩士，恒源煤礦總工程師，長期從事礦井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

［責(zé)任編輯:王興庫］