直流電法在西坡煤礦探測(cè)富水構(gòu)造中的應(yīng)用

朱加鋒，雷東記

直流電法在西坡煤礦探測(cè)富水構(gòu)造中的應(yīng)用

朱加鋒1，雷東記2

(1.山西潞安集團(tuán)公司通風(fēng)處，山西 長(zhǎng)治市 046204；2.河南理工大學(xué) 安全學(xué)院，河南 焦作市 454000)

西坡煤礦5100工作面安裝調(diào)試過(guò)程中，采空區(qū)頂板發(fā)生垮落，隨后發(fā)現(xiàn)工作面底板涌水。為避免開(kāi)采過(guò)程突發(fā)突水事故，基于井下直流法勘探原理，在5100工作面皮帶順槽和軌道順槽分別進(jìn)行了直流電法探測(cè)，對(duì)該工作面周?chē)母凰蕴卣鳌鷰r斷層破碎帶、富水構(gòu)造以及潛在突水點(diǎn)的分布情況進(jìn)行全面探查分析。結(jié)果證明直流電法對(duì)井下水害探測(cè)是有效的，為工作面加強(qiáng)超前探放水相關(guān)工作，制定探放水措施提供了依據(jù)。

直流電法;富水構(gòu)造;突水;水害探測(cè);煤礦

在礦井生產(chǎn)中，突水事故是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。為避免突水帶來(lái)的不必要的礦井生產(chǎn)損失和事故，通常采取相應(yīng)的地球物理探測(cè)方法進(jìn)行工作面超前物探，及時(shí)發(fā)現(xiàn)富水構(gòu)造，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義[1]。當(dāng)前煤礦對(duì)于井下富水構(gòu)造運(yùn)用較多的地球物理探測(cè)方法有井下直流電法[2-3]、瞬變電磁法[4-6]以及地震波法[7-8]等，各種方法都具有自己的優(yōu)點(diǎn)和適用性。其中瞬變電磁法具有體積效應(yīng)以及受井下探測(cè)區(qū)域環(huán)境干擾較大[9]，從而要求分析過(guò)程中要去掉干擾因素，一定程度上增加了探測(cè)難度；地震波法在井下對(duì)富水探測(cè)不靈敏，精度太低，不利于礦井應(yīng)用推廣。直流電法是當(dāng)前礦井探測(cè)工作面前方富水構(gòu)造應(yīng)用最廣泛的物探方法，不僅如此，直流電法在工作面、頂?shù)装宓奶綔y(cè)也發(fā)揮了重要的作用[10-11]，目前直流電法儀逐漸小型化、高精度化，可實(shí)現(xiàn)井下安全高效的數(shù)據(jù)采集。

本文采用直流電法對(duì)西坡礦首采工作面存在的底板涌水問(wèn)題進(jìn)行超前探測(cè)，為煤礦加強(qiáng)超前探放水、制定防水措施相關(guān)工作提供指導(dǎo)。

1 工作面地質(zhì)概況

西坡煤礦位于山西省呂梁市柳林縣西北部，5100工作面作為首采工作面，工作面標(biāo)高為531.3～469.5 m，主采5(4+5)號(hào)煤層。井田內(nèi)太灰水水位標(biāo)高為718.95～833.01 m，5(4+5)號(hào)煤層均位于太灰水水位之下。5(4+5)號(hào)煤層直接底和老底裂隙發(fā)育，分別為2.03～3.5 m抗拉強(qiáng)度較小的砂質(zhì)泥巖和6.31～7.50 m的中砂巖，砂巖質(zhì)硬以及裂隙不易彌合的屬性決定了其成為充水通道的可能。由于煤層底板局部裂隙發(fā)育以及煤層開(kāi)采工程中對(duì)底板的破壞，導(dǎo)致底板裂隙導(dǎo)通L5含水層，可能造成生產(chǎn)過(guò)程中水害事故。按照《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明370孔突水系數(shù)最大，為1.793 MPa/m，133孔突水系數(shù)最小，為0.206 MPa/m，即使最小值也大于煤礦防治水規(guī)定中的0.1 MPa/m的標(biāo)準(zhǔn)，故太灰水對(duì)開(kāi)采5(4+5)號(hào)煤層有很大的威脅，應(yīng)該制定比較嚴(yán)格的承壓開(kāi)采防治水措施，尤其加大斷層等地質(zhì)構(gòu)造以及未封或封孔不良鉆孔附近區(qū)域的防治水工作力度。

表1 太原組石灰?guī)r裂隙、巖溶水對(duì)5(4+5)號(hào)煤突水系數(shù)

2 數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

為了探明5100工作面皮帶順槽和軌道順槽底

板含水層、斷裂破碎帶等富水構(gòu)造，同時(shí)滿(mǎn)足布點(diǎn)施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、人力成本少，測(cè)量過(guò)程安全，測(cè)量結(jié)果精度高，以及礦井需求等要求，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比分析，采用固定M、N電極而移動(dòng)A電極的三極法，移動(dòng)步距為5 m，其中供電電極有兩個(gè)電極。電極A、B為鐵棒，電極M、N為銅棒，銅棒具有更好導(dǎo)電性和非極化性，可以測(cè)量到更精確和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，將電極分別連到四根電纜上（見(jiàn)圖1）。

圖1 井下直流電法施工

現(xiàn)場(chǎng)在工作面皮帶順槽和軌道順槽各布置一條測(cè)線。兩條測(cè)線各設(shè)置33個(gè)樁點(diǎn)，樁點(diǎn)間距20 m，測(cè)線總長(zhǎng)為640 m。其中軌道順槽測(cè)深為45 m，皮帶順槽由于考慮到工作面超前支護(hù)區(qū)底板積水的影響，為探測(cè)準(zhǔn)確性和精度考慮，皮帶順槽測(cè)深為40 m。

2.2 探測(cè)成果分析

利用專(zhuān)門(mén)軟件對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，去除明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)后，繪制電阻率剖面圖。圖2為軌道順槽三極電測(cè)深，圖3為皮帶順槽三極電測(cè)深。首先對(duì)同樁點(diǎn)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果同樁點(diǎn)中有存在相差3倍以上的值，則視為異常樁點(diǎn)；然后對(duì)異常樁點(diǎn)和其相鄰樁點(diǎn)進(jìn)行比較，如果異常樁點(diǎn)至少有3個(gè)數(shù)據(jù)小于相鄰樁點(diǎn)數(shù)據(jù)，則該異常樁點(diǎn)較小測(cè)點(diǎn)（區(qū)）被定為低阻異常點(diǎn)（區(qū)），圖中低阻區(qū)使用紅色菱形表示，高阻區(qū)方法相同，圖中用藍(lán)色圓形表示。

由圖2可知，軌道順槽巷道底板高阻點(diǎn)（區(qū)）分布較廣，樁點(diǎn)60，100，140，160，200，220，280，360，380，400，460，520，580，640 m區(qū)域附近為高阻異常區(qū)，總共14個(gè)高阻區(qū)，由軌道順槽視電阻率剖面曲線圖可知，樁點(diǎn)80，300，420，540 m和620 m位置區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)，總共9個(gè)低阻異常區(qū)，尤其300 m和420 m異常區(qū)距掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的穿越工作面斷層較近，工作面回采過(guò)程中應(yīng)注意做好防范工作。

圖2 軌道順槽三極電測(cè)深

圖3 皮帶順槽三極電測(cè)深

由圖3可知，皮帶順槽巷道底板高阻點(diǎn)（區(qū)）分布較廣，樁點(diǎn)0，60，80，120，140，160，200，300，380，420 m和540 m區(qū)域附近為高阻異常區(qū)，總共11個(gè)高阻區(qū)，由皮帶順槽視電阻率剖面曲線圖可知，樁點(diǎn)40，80，240，320，440 m和520 m位置區(qū)域附近為低阻異常區(qū)，一共9個(gè)低阻異常點(diǎn)（區(qū)），尤其240 m和440 m異常區(qū)距掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的穿越工作面斷層較近，工作面回采過(guò)程中應(yīng)注意做好防范工作。高阻點(diǎn)（區(qū)）主要集中在30 m深度以下，尤其在軌道順槽最為明顯。其中，軌道順槽200 m樁點(diǎn)位置存在一個(gè)最大視電阻率值為1191.12 Ω?m的高阻區(qū)域，分析原因?yàn)橄锏涝谠撐恢脜^(qū)域突然變陡所致，軌道順槽350～370 m樁點(diǎn)位置存在高阻區(qū)域，分析原因?yàn)橄锏涝谠撐恢脜^(qū)域頂?shù)装迤扑?，掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩條斷層在該位置區(qū)域交匯，導(dǎo)致視電阻率值明顯升高，這兩點(diǎn)驗(yàn)證了該方法在巷道底板電測(cè)深中的準(zhǔn)確性和有效性。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)采用YDZ(A)直流電法儀對(duì)西坡煤礦5100工作面進(jìn)行富水構(gòu)造探測(cè)，證明直流電法對(duì)井下水害探測(cè)是有效的。

（2）西坡煤礦5(4+5)號(hào)煤開(kāi)采時(shí)受到底板太灰裂隙巖溶水的威脅較大。工作面皮帶順槽和軌道順槽結(jié)果顯示低阻異常區(qū)較多，證明巷道底板存在較多富水區(qū)域和含水構(gòu)造，工作面回采過(guò)程中務(wù)必加強(qiáng)超前探放水相關(guān)工作，制定嚴(yán)格的探放水措施，應(yīng)提前做好太灰水的預(yù)防工作。

（3）由于探測(cè)距離較遠(yuǎn)，受巷道坡度的影響，樁點(diǎn)與實(shí)際巷道具體位置可能存在一定誤差，所以建議在工作面開(kāi)采中加強(qiáng)探測(cè)，并實(shí)施綜合探測(cè)和防治措施。

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(2019-07-08)

朱加鋒(1984—)，工程師，主要從事煤礦一通三防工作。