張雙樓煤礦上覆采空積水探測及突水危險性分析

張東旭+郭昌放+陳嘉駿

摘要：基于目前國有資源整合礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜、老空積水危害大的問題，為研究上覆采空區(qū)積水對其下綜采工作面安全回采工作的影響，以張雙樓煤礦93604工作面為例，通過對其水文地質(zhì)情況及上方7#煤層的采掘情況分析，采用井下全空間瞬變電磁法綜合設(shè)計探測方案，對工作面上覆巖層及7#煤采空區(qū)賦水情況進行探測。通過三維處理及分析，得出工作面內(nèi)及上方區(qū)域賦水情況，分析導(dǎo)致其呈現(xiàn)低阻的原因，據(jù)此針對性的制定放水設(shè)計及安全回采方案。結(jié)果表明，本方法能準確、有效的探測工作面覆巖水害分布情況，可為資源整合礦井采空區(qū)下工作面的安全回采提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：資源整合礦井；老空積水；瞬變電磁；覆巖水害分布；安全回采

Detection of Water-accumulating Goaf and Risk Analysis of Water Inrush of Zhang Shuang-lou Coal Mine

ZHANG Dong-xu1GUO Chang-fang2，3CHEN Jia-jun2，3

1. Xuzhou Coal Mining Group，Zhang Shuang-lou Coal MineXuzhou221616 2. China University of Mining and Technology，School of MinesXuzhou221116 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，CUMTXuzhou221116

Abstract： Aiming at the complex hydrogeological conditions and goaf water hazards in the present state-owned resource-integration coal mines and for the study of the overlying goaf water influence on safety recovery of fully mechanized working face， the author take the 93604 working face of Zhang Shuang-lou Coal Mine as an example to detect overburden strata and the 7#goaf waters condition of it with the analysis of the hydrogeological conditions and the 7#coal seams mining condition above it adopting the integrated design of the transient electromagnetic methods. Through 3D data process and analysis， the author obtained the relatively low resistivity areas within and above the working face. Based on the analysis of the reason why these areas presenting low resistivity， the author carried out the specific design for water release and safety recovery. The result shows that this method can accurately and effectively detect the water distribution of overburden strata， which can offer theoretical and technical guidance of resource-integration coal minesrecovery safety under the goaf.

Key words： resource-integration coal mine； goaf water； transient electromagnetic method； water distribution of overburden strata； recovery safety

引言

我國的煤炭資源整合工作在很大程度上節(jié)約了煤炭資源、提升了生產(chǎn)水平。但在同時，資源整合后的礦井也存在儲量、開采情況不清楚，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采空區(qū)范圍不定、老空積水危害大等問題。因此，有必要采取有效、精確的手段來探測煤礦中的水害分布情況[1-3]。目前，對煤礦水害探測的技術(shù)及工作已經(jīng)趨于成熟，但是大多都是在地面采用直流電法，大定源回線瞬變電磁法等來探測已采空區(qū)域的賦水情況，也都取得了較好的效果[4-6]。但是，以上方法存在深度識別不靈敏，小富水區(qū)識別困難及低阻屏蔽作用等不可避免的缺陷。針對以上問題，本文基于瞬變電磁法的原理，結(jié)合張雙樓煤礦93604工作面的基本情況，采用井下瞬變電磁探測[7-9]，在有效的探明上方采空區(qū)積水的同時，能探明工作面內(nèi)及覆巖賦水情況，進而指導(dǎo)工作面安全回采。

1.工作面概況

江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦位于徐州市西北，江蘇沛縣安國鎮(zhèn)境內(nèi)，地形呈西高東低之勢，地表起伏不大。93604工作面走向長906m，傾斜長度150m，開采9#煤層，工作面地質(zhì)構(gòu)造總體簡單，煤層頂板為K2石灰?guī)r夾砂泥巖互層。上覆7#煤層已經(jīng)采空，其中含水層尤其是下石盒子組砂巖裂隙含水層是7#煤層的主要充水層，因93604工作面所處9#煤層與7#煤層距離58m，且93604工作面上方可能存在采空區(qū)老空水，嚴重影響該工作面的安全回采。

2.瞬變電磁法

2.1方法原理

瞬變電磁法利用發(fā)射回線向探測方向發(fā)射一次脈沖磁場，利用磁感應(yīng)線圈在一次脈沖磁場間歇期間觀測前方介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率[10]。瞬變電磁工作一般在探測點放置發(fā)射線圈，在發(fā)射線圈中通以一定波形電流（一般為方波），從而在其探測前方一定范圍內(nèi)產(chǎn)生一次電磁場，地下地質(zhì)體將在一次場的激發(fā)下產(chǎn)生渦流。在電流歸零后，一次場消失，但渦流不會隨一次場的消失立即消失，它產(chǎn)生磁力線和等效電流云[11]。此時會產(chǎn)生二次場，該二次磁場攜帶著地質(zhì)體的電性分布。用接收回線接收該二次場，可分析地下地質(zhì)體的電性分布規(guī)律[12]（見圖2）。

一般觀測二次場用接收回線測量二次感應(yīng)電動勢V（t），得出二次場特性曲線（見圖3）。如按不同的延遲時間測量，得出的二次場特性曲線就是隨時間衰減的。

若探測方向上沒有良導(dǎo)體，二次場特性曲線的衰減速度很快；當(dāng)存在良導(dǎo)體時，電流歸零的瞬間，在地下導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)渦流以阻止一次場的消失，觀測到的二次場特性曲線衰減速度相對較慢，且探測方向上有良導(dǎo)體時其晚期感應(yīng)電動勢要比沒有良導(dǎo)體時高得多。這樣，含水區(qū)域及構(gòu)造的電阻率遠小于不含水區(qū)域的電阻率，以此可以作為瞬變電磁法觀測地質(zhì)體含水性的物理依據(jù)，因此發(fā)現(xiàn)地下良導(dǎo)體的存在。

2.2深度及視電阻率計算

瞬變電磁場在地層中的擴散形式如圖4，電磁能量會因為在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而不斷消耗。由于趨膚效應(yīng)，高頻部分分布范圍小，且主要集中在地表附近；而低頻部分分布范圍大，且可以傳播到較深處[13-14]。

上式為工程探測中最大探測深度的計算公式。瞬變電磁的探測深度與最小可分辨電壓，覆蓋層電阻率及發(fā)送磁矩有關(guān)[15]。

相應(yīng)的晚期視電阻率計算公式為：

3.工程布置

本次瞬變電磁探測的目的主要是探測93604工作面內(nèi)部、上覆巖層及對應(yīng)7#煤采空區(qū)賦水情況，探測區(qū)域如圖5所示，其中右側(cè)陰影區(qū)域已回采。本次探測區(qū)域觀測點布置情況如圖6所示，是一個寬約150m，上下底邊分別長600m和615m的梯形。其中運輸順槽探測部分長600m，回風(fēng)順槽探測部分長615m，測點間隔15m，在上下底邊分別布置41個和42個測點。

其中，每個測點從垂直于左幫開始，每隔22.5°進行一次探測，共探測9道。觀測系統(tǒng)示意圖如下。

4.數(shù)據(jù)處理及分析

本次瞬變電磁頂板探測結(jié)果分析采用統(tǒng)一色標(biāo)，如表1所示，視電阻率值由小到大分別為藍色→青色→綠色→黃色→紅色，藍色和青色區(qū)域為相對低阻異常區(qū)。

圖8為瞬變電磁頂板探測各個高度視電阻率的切片，位于9#煤與7#煤之間的標(biāo)志層。

從（a）圖可以看到低阻區(qū)域主要位于工作面內(nèi)部區(qū)域和采空破壞區(qū)之間，K2標(biāo)志層與K3標(biāo)志層切片的異常分布規(guī)律與（a）圖近似。K4標(biāo)志層底部切片仍然存在9#煤采空破壞形成的異常區(qū)，同時可以看到運輸順槽200m～500m范圍出現(xiàn)低阻區(qū)域。K4標(biāo)志層上部切片處運輸順槽上方低阻區(qū)域變大，可見運輸順槽上方有一異常區(qū)域?qū)?。K7標(biāo)志層切片處在回風(fēng)順槽出現(xiàn)了少量低阻區(qū)域，與運輸順槽區(qū)域低阻構(gòu)成了一個矩形的異常區(qū)域。7#煤層切片異常規(guī)律與K7標(biāo)志層切片相一致，整體形狀沒有大的改變。

對比（a）～（g），可以看出，原9#煤采空破壞區(qū)域與工作面之間在全程都存在異常區(qū)域，同時隨著探測深度的加深，工作面運輸順槽上方出現(xiàn)了明顯的低阻異常區(qū)，由此初步推斷，在93604工作面上方與7#煤采空區(qū)形成了導(dǎo)水通道。

圖9、圖10為93604工作面覆巖三維視電阻率探測結(jié)果，從三維圖中可以看出，工作面上方頂板與原采空破壞區(qū)和運輸順槽之間區(qū)域呈現(xiàn)出明顯低阻狀態(tài)，而且在工作面內(nèi)部也呈現(xiàn)出低阻區(qū)。

通過對頂板方向標(biāo)志層視電阻率切片以及工作面上方相對低阻區(qū)賦水情況三維圖分析，得出如下結(jié)果：

①號異常區(qū)：運輸順槽600m處。

②號異常區(qū)：運輸順槽200-500m處上方。

③號異常區(qū)：回風(fēng)順槽600m處上方。

④號異常區(qū)：工作面內(nèi)部（小型條狀）。

結(jié)合采掘情況及水文地質(zhì)情況，初步分析判定：運輸順槽600m處在橫向上與原9#煤采空破壞區(qū)之間可能存在采動導(dǎo)水裂隙，在縱向上與7#煤采空區(qū)之間可能存在導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)通①②異常區(qū)。異常區(qū)④與左上側(cè)異常區(qū)①在結(jié)構(gòu)上相連通，可能會在工作面內(nèi)部形成一個導(dǎo)水通道。異常區(qū)③雖存在低阻，綜合分析，排除充水及與其他異常區(qū)聯(lián)通可能，推斷是由于聯(lián)巷左下角位置金屬設(shè)備多、干擾較大造成的。

根據(jù)礦井原有水文地質(zhì)資料及上述物探結(jié)果制定《93604回采工作面上覆7#煤層老空區(qū)放水設(shè)計》，鉆場布置如圖11。

1號鉆場探放異常區(qū)②積水，布置三個鉆孔，ZK1號鉆孔，孔深75.6m，傾角53°24′，方位角180°；ZK2號鉆孔，孔深77.4m，傾角51°36′，方位角136°20′；ZK3號鉆孔，孔深80.1m，傾角49°18′，方位角208°44′。

2號鉆場探放異常區(qū)④積水，布置三個鉆孔，ZK1號鉆孔，孔深87.2m，傾角44°6′，方位角0°；ZK2號鉆孔，孔深94.6m，傾角39°54′，方位角336°34′；ZK3號鉆孔，孔深105.5m，傾角35°6′，方位角36°22′。

3號鉆場探放異常區(qū)③積水，布置三個鉆孔，ZK1號鉆孔，孔深99.7m，傾角37°18′，方位角201°33′；ZK2號鉆孔，孔深101.7m，傾角36°30′，方位角187°24′；ZK3號鉆孔，孔深88.9m，傾角42°54′，方位角183°51′。

現(xiàn)場鉆探表明：1號鉆場鉆探過程累計放水約7983m3；2號鉆場鉆探過程累計放水約6365m3；3號鉆場鉆探過程無明顯水流流出。

鉆探結(jié)果與93604回采工作面頂板探測積水異常區(qū)部分區(qū)域相重疊，結(jié)果大致一致，證明物探探測結(jié)果可靠、有效。

5.結(jié)論

（1）煤礦開采形成的采動裂隙在橫向及縱向上都有發(fā)育，在橫向上可與臨近采空區(qū)導(dǎo)通，在縱向上可與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，進而在工作面內(nèi)部及覆巖形成低阻賦水區(qū)。

（2）利用井巷瞬變電磁法可以準確、有效的探測采動導(dǎo)水裂隙發(fā)育情況及工作面內(nèi)部和覆巖水害分布狀況，可為資源整合礦井采空區(qū)下工作面的安全回采提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

（3）瞬變電磁探測出的積水異常區(qū)，與后續(xù)的鉆探結(jié)果相互印證，是礦井防治水中十分有效的物探方法。

參考文獻：

[1]牛之璉.時間域電磁法原理[M].中南大學(xué)出版社， 2007.

[2]李貅，郭文波.瞬變電磁測深快速擬地震解釋方法及應(yīng)用效果[C]//中國地球物理學(xué)會年刊——中國地球物理學(xué)會年會.2000：42-45.

[3]郭志明.資源整合后礦井水災(zāi)害防治[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2012（4）：48-49.

[4]李松營.礦井綜合物探技術(shù)在封堵特大型突水中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2011， 39（11）：23-26.

[5]羅國平，張春燕，李旭.采空區(qū)含水性探測的綜合電法勘探應(yīng)用研究[J].中國煤炭地質(zhì)， 2013， 25（1）：44-47.

[6]吳有信，韓東亞，王琦.煤礦深部開采地質(zhì)保障中的綜合物探技術(shù)應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報， 2009， 6（1）：57-62.

[7]王善勛，楊文鋒，張衛(wèi)敏，等.瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報， 2012， 09（4）：400-405.

[8]占文鋒，王強，牛學(xué)超.采空區(qū)礦井瞬變電磁法探測技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2010（8）：115-117.

[9]Xianxin Shi. Detection of Water Hazards in Mining Surface by Electromagnetic Method[J]. Disaster Advances， 2013， 6： 296-307.

[10]薛國強.論瞬變電磁測深法的探測深度[J].石油地球物理勘探， 2004， 39（5）：575-578.

[11]劉盛東，劉靜，岳建華.中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題[J].煤炭學(xué)報， 2014， 39（1）：19-25.

[12]張琦，覃慶炎.瞬變電磁法在積水采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2014， 42（2）：83-85.

[13]Mohamed Metwaly， et al. Combined Inversion of Electrical Resistivity and Transient Electromagnetic Soundings for Mapping Groundwater Contamination Plumes in Al Quwyyia Area， Saudi Arabia[J]. Journal Of Environmental And Engineering Geophysics， 2014， 19（01）： 45-52.

[14]姜志海，楊光.淺埋特厚煤層小窯采空區(qū)瞬變電磁探測技術(shù)研究及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報， 2014， 31（05）：769-774.

[15]劉志新，王明明.環(huán)工作面電磁法底板突水監(jiān)測技術(shù)[J].煤炭學(xué)報， 2015，40（5）：1117-1125.

[16]孫躍強.綜采液壓支架倒架原因分析及防范措施[J].中小企業(yè)管理與科技旬刊， 2011（4）：267-268.

[17]房豐洋，郝慶利，楊永剛.邊角煤回采對附近巷道群影響程度數(shù)值模擬分析[J].西部資源， 2015（01）：116-118.

[18]崔世俊.礦產(chǎn)資源綜合利用不可忽視[J].西部資源， 2014（02）： 51-52.