礦井異常涌水水源綜合判定技術(shù)

黎 靈

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京，100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京，100083；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京，100013)

礦井異常涌水水源綜合判定技術(shù)

黎 靈1，2，3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京，100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京，100083；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京，100013)

針對淖爾壕煤礦回風(fēng)大巷巷幫多處發(fā)生帶壓異常涌水情況，為了分析鄰近礦井4.1MPa采空區(qū)積水、以及淖爾壕礦厚松散層含水層對礦井異常涌水影響，判定異常涌水水源，通過對礦井回風(fēng)大巷南側(cè)邊界煤柱尺寸探測、煤層物理力學(xué)性質(zhì)測試、邊界煤柱穩(wěn)定性驗算、頂板富水性探測等手段開展現(xiàn)場實測和理論研究，結(jié)果表明回風(fēng)大巷南側(cè)井田邊界煤柱尺寸約35m，滿足安全煤柱留設(shè)要求，回風(fēng)大巷異常涌水水源判定為頂板含水層富水區(qū)砂巖水，為礦井進一步采取水害防治措施提供指導(dǎo)。

采空區(qū)積水；厚松散層富水；異常涌水；水源判定

礦井水害是礦井主要災(zāi)害之一，礦井突水事故往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。突水水源、突水通道是礦井突水災(zāi)害的主要影響因素，快速準(zhǔn)確地判別礦井突水水源是開展水害防治和確保安全生產(chǎn)的前提和保障[1-3]。礦井突水水源判別方法多種多樣，鉆探、物探、水位動態(tài)判別法、水質(zhì)分析等均為突水水源判定重要技術(shù)手段[4-7]，物探方法能快速實現(xiàn)大面積普查，已成為探明突水水源和通道的重要手段，瞬變電磁法因具有對低阻含水體反應(yīng)靈敏、縱橫向分辨率高、受體積效應(yīng)影響小、工作效率高、施工靈活等特點被廣泛應(yīng)用[8-11]。

本文利用單點震波法探測礦井回風(fēng)大巷南部邊界煤柱尺寸，驗算鄰礦4.1MPa采空區(qū)水壓作用下邊界煤柱穩(wěn)定性，并采用瞬變電磁法探測淖爾壕煤礦回風(fēng)大巷異常涌水巷道頂板覆巖富水性，分析礦井古沖溝松散含水層富水區(qū)的影響，成功地判定回風(fēng)大巷異常涌水水源，為進一步制定水害防治措施提供依據(jù)。

1 工程背景

淖爾壕煤礦主采4-2號煤層，為近水平煤層，煤層平均厚度4m，埋藏深度90～140m，基巖厚度35～110m。井田回風(fēng)大巷靠近南部邊界，邊界以外為鄰礦長壁采空區(qū)(如圖1中2405采空區(qū))，采空區(qū)常年積水，密閉處壓力表顯示該工作面采空區(qū)水壓為4.1MPa；井田范圍存在古沖溝盆地潛水富水區(qū)，井田北翼盤區(qū)東部古沖溝盆地松散層厚度大，最大可達60m，松散沙層孔隙發(fā)育且受大氣降水補給，富水性強。

圖1 淖爾壕煤礦古沖溝富水區(qū)與鄰礦采空區(qū)位置關(guān)系

井田回風(fēng)大巷南側(cè)巷幫及頂板出現(xiàn)多處呈帶壓噴射狀異常涌水，影響大巷安全使用，急需查明異常涌水水源，采取防治措施，消除隱患。

2 鄰礦采空區(qū)積水影響分析

2.1 邊界煤柱尺寸探測

2.1.1 單點震波法探測原理

單點震波法探測技術(shù)是源于反射地震波勘探自激自收方式，即反射波中偏移距為零的垂直反射形式。它是通過接收巖、煤層界面的地震波垂直反射信號來解析計算目的層距離或厚度的[12-15]。

按照波阻抗理論，對于不同層狀介質(zhì)，設(shè)z1為上層介質(zhì)波阻抗，z2為下層介質(zhì)波阻抗，則有：

z1=ρ1v1，z2=ρ2v2

(1)

由震波反射原理，層間界面反射系數(shù)k為：

(2)

式中，ρ為介質(zhì)的密度；v為震波波速。

一般情況下，煤層的密度多分布1.3～1.5g/cm3，波速為0.8～1.5m/ms，而巖層的密度為2.4～3.0g/cm3，波速2.5～3.5m/ms，煤、巖界面反射系數(shù)一般比較大，多為0.6以上，是一個強反射界面，有利于震波反射法進行超前或煤厚探測。

2.1.2 單點震波法探測成果

本次研究采用礦井地質(zhì)探測儀、礦用本安型地震儀探測礦井南部邊界煤柱尺寸，探測范圍為4煤回風(fēng)大巷1610m范圍，設(shè)計在4煤回風(fēng)大巷外側(cè)每100m布置1個單點震波法測點，測點施工布置如圖2所示。測點向邊界煤柱內(nèi)部進行探測，每點探測4組數(shù)據(jù)，分別為增益0一組、增益24一組、增益36一組、增益48一組，每組數(shù)據(jù)炮擊激發(fā)3次，4組數(shù)據(jù)共計炮擊激發(fā)12次。

圖2 單點震波法測點施工布置

數(shù)據(jù)處理時，將每個單點數(shù)據(jù)進行拼接后，經(jīng)過偏移成像處理形成地震剖面，圖3為單點震波法在4煤回風(fēng)大巷外側(cè)探測成果圖。

圖3 單點震波法探測成果

對2種儀器探測成果圖進行分析，在有效探測深度60m范圍之內(nèi)，均在距離4煤回風(fēng)大巷外側(cè)幫35m左右發(fā)現(xiàn)相對波速異常區(qū)域，推斷為采空區(qū)邊界或保安煤柱邊界。

2.2 邊界煤柱合理性驗算

2.2.1 煤層物理力學(xué)參數(shù)測定

為驗算煤柱留設(shè)合理性，需測定煤層單軸抗拉強度。現(xiàn)場采取煤樣，采用巴西劈裂法測試，對實心圓柱體試件施加徑向壓縮線荷載至破壞，采用力的加載方式加載，煤樣采用200～500N/s的速度加載，全過程均實時采集記錄數(shù)據(jù)。

表1 淖爾壕煤礦4-2煤煤樣劈裂法抗拉強度測試結(jié)果

2.2.2 邊界煤柱驗算

積水采空區(qū)防水煤柱留設(shè)可視為煤層直接與含水層(體)相接觸，可參照《煤礦防治水規(guī)定》中“關(guān)于含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲? 巖) 柱的留設(shè)”計算煤柱寬度，含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱留設(shè)圖見圖4，經(jīng)驗公式如下：

(3)

式中，L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，建議取5；M為煤層厚度或者采高，m；P為水壓，MPa；Kp為煤的抗拉強度，MPa。

煤層厚度2.2～4.52m，取最大值M=4.52m，采空區(qū)埋藏深度約100～160m，采空區(qū)積水水位不斷上漲最終將與松散含水層水位一致。因此，按照采空區(qū)埋深最大值作為煤柱可能承受最大水頭高度計算水壓，即p=1.6MPa，Kp=1.257MPa。將各參數(shù)帶入公式(3)計算可得，安全煤柱寬度L=22.1m。

圖4 含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱留設(shè)

由此可見，淖爾壕煤礦南部井田邊界防水煤巖柱尺寸大于22.1m能確保該礦回風(fēng)大巷不受鄰礦采空區(qū)積水威脅。根據(jù)淖爾壕煤礦及鄰礦提供的采掘平面圖測量，兩礦之間邊界煤柱設(shè)計留設(shè)總寬度為46m，根據(jù)單點震波法探測煤柱寬度約35m，設(shè)計留設(shè)煤柱寬度與物探煤柱寬度均滿足煤柱穩(wěn)定性驗算要求，礦井回風(fēng)大巷煤壁異常涌水排除鄰礦采空區(qū)積水影響。

3 頂板及松散含水層影響分析

3.1 礦井瞬變電磁法探測布置

瞬變電磁法也稱時間域電磁法，簡稱TEM，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。礦井瞬變電磁法則是在井下進行探測，對于探測煤層頂板富水性效果較好，應(yīng)用廣泛，本次礦井瞬變電磁探測4煤回風(fēng)大巷頂板富水性探測參數(shù)布置如下：

探測范圍為4煤回風(fēng)大巷1610m范圍(探測范圍同單點震波法探測范圍，如圖2)，設(shè)計5條測線，內(nèi)側(cè)頂板60°、頂板90°、外側(cè)頂板60°、外側(cè)頂板30°、外側(cè)順層，探測方向(即線圈法線方向與巷道頂板水平面所成角度)，測線方向布置如圖5。每條測線長1610m；每條測線點間距10m，測點由巷口開始布置，編號依次為0，1，2…

圖5 瞬變電磁測線角度布置

3.2 頂板水影響分析

本次瞬變電磁探測數(shù)據(jù)經(jīng)過反演計算處理后，主要形成各探測方向二維電阻率剖面圖，用于推斷解釋4煤回風(fēng)大巷頂板富水區(qū)分布情況。圖6為4煤回風(fēng)大巷頂板礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面圖，圖中橫坐標(biāo)為回風(fēng)大巷1610m范圍，縱坐標(biāo)軸為沿探測方向的距離。

由圖6可以看出：

(1)回風(fēng)大巷1610m范圍頂板存在12處低阻異常區(qū)，推斷為頂板富水區(qū)，且頂板富水區(qū)主要集中在0～50，180～340，370～720，1100～1400及1430～1600m范圍，該區(qū)域可作為頂板疏放水重點對象考慮。

(2)在有效探測深度為100m范圍之內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、基巖厚度等相關(guān)地質(zhì)資料推斷頂板方向低阻異常為松散含水層富水區(qū)影響。

圖6 4煤回風(fēng)大巷頂板90°方向0～1610m礦井瞬變電磁法探測視電阻率等值線擬斷面

由以上探測、分析可知，淖爾壕礦南部邊界煤柱尺寸約35m，滿足鄰礦采空區(qū)水壓條件下隔水煤柱穩(wěn)定性要求，礦井回風(fēng)大巷異常涌水排除鄰礦采空區(qū)積水影響；頂板富水性瞬變電磁探測顯示，上覆松散含水層存在多處富水異常區(qū)，回風(fēng)大巷煤壁異常涌水主要受上覆松散含水層富水區(qū)影響。

4 結(jié) 論

(1)在存在采空積水區(qū)威脅時，通過單點震波法物探手段，可有效探測采掘空間與采空區(qū)之間煤巖柱尺寸，驗算煤柱穩(wěn)定性，評價采空積水區(qū)威脅程度。

(2)礦井瞬變電磁法對頂板富水性探測具有良好效果，能有效探明富水區(qū)平面分布及空間位置，為進一步開展頂板富水區(qū)疏放工作提供依據(jù)。

(3)礦井受采空積水區(qū)、頂板富水區(qū)等復(fù)合水源影響條件下發(fā)生異常涌水時，瞬變電磁法、單點震波法等物探手段能快速探測水源與通道，對消除水害隱患確保安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

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[責(zé)任編輯：張玉軍]

Comprehensive Determination Technology of Mine Abnormal Inrush Water Source

LI Ling1,2,3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Resource and Safety Engineering School，China University of Mine Technology(Beijing)，Beijing 100083，China； 3.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abnormal water burst appeared at some position of ventilation roadway side of Zhuoerhao coal mine，in order to analysis the influence nearby 4.1MPa goaf water and thick alluvium aquifer of Zhuoerhao coal mine to abnormal water burst，then abnormal water burst source was determined，according field test and theoretical study，coal pillar sizes exploration of south side of ventilation roadway，coal seam physical and mechanical property testing，stability calculation of coal pillar，exploration of roof waterly，the results showed that mine field boundary coal pillar sizes of ventilation roadway south was 35m，it satisfied safety of coal pillar set，abnormal water source was sandstone water of roof aquifer，and these reference for water damage control.

goaf water；thick alluvium abundant water；abnormal inrush water；water source determination

2017-04-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.026

國家重大專項(2016ZX05045001-004)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51674142)

黎 靈(1984-)，男，江西撫州人，助理研究員，主要從事煤礦水害防治、覆巖破壞方面研究工作。

黎 靈.礦井異常涌水水源綜合判定技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(4)：100-102，105.

TD745 21

A

1006-6225(2017)04-0100-03