掘進工作面頂部采空積水的物探分析

喬斐斐，常小峰

（1.山西晉煤洪洞晉圣榮康煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 041600；2.山西汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)公司，山西 靈石 031302）

兼并重組礦井掘進工作面水害事故時有發(fā)生，分析水源主要是：重組前小窯采空區(qū)積水；下層煤層掘進開采時， 近距離上覆煤層采空區(qū)產生的積水。 采空區(qū)積水，極易通過斷層、陷落柱等地質因素產生的破碎帶和下層采動產生的冒落裂隙帶、封孔不良鉆孔等形成的導水通道，在掘進工作面頂部突發(fā)透水，沖擊破壞大，造成現(xiàn)場人員的傷亡和設備重大損失。 因此，本文以北翼回風大巷頂部采空區(qū)積水為例，介紹正升煤業(yè)公司防治掘進工作面采空區(qū)積水的方法。

1 地質概況

正升煤業(yè)公司礦井設計生產能力0.9 Mt/a，井田地質構造簡單偏中等，總體為向南傾斜的單斜構造，同時伴生少許次級斷層、陷落柱等破碎帶，影響煤層開采。 該礦的含煤巖層有太原組和山西組，太原組為一套海陸交互相含煤地層， 含海相灰?guī)r4層，含煤4 層，編號自上而下為6、7、8、9+10+11 號煤層，其中9+10+11 號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采層，6、7 號煤層全井田均未達可采厚度；8 號煤層僅井田西南角11-3 孔達可采厚度。6、7、8 號煤層均屬井田不穩(wěn)定不可采煤層。太原組地層平均總厚91.30 m，煤層平均總厚8.34 m，含煤系數(shù)9.13%。 山西組為陸相含煤地層，共含煤4 層，編號自上而下為2、3、4、5 號煤層，2、3、4 號煤層井田內穩(wěn)定可采，5 號煤層為不可采或零星可采煤層，地層平均總厚64.50 m，煤層平均總厚2.25 m，含煤系數(shù)3.49%。 9+10+11 號煤層及上覆巖層的地質柱狀圖，見圖1。 9+10+11 號煤層距4 號煤63.2 m。該礦井2、3、4 號煤層在兼并重組前已經小煤窯開采， 現(xiàn)主要開采9+10+11 號煤層。其頂板為K2灰?guī)r，致密、堅硬，厚度一般4.50 m左右；底板為泥巖，抗壓強度為12.0～14.6 MPa。9+10+11 號煤開采主要的含水層包括奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、二疊系山西組及下石盒子組砂巖裂隙含水層組，以及采空區(qū)積水。 其中奧灰水水位標高+521～+523 m，低于9+10+11 號煤層底板最低標高+570 m， 不存在帶壓開采區(qū)。 礦井涌水量為+30 m3/h，最大礦井涌水量65 m3/h。

圖1 9+10+11 號煤層及上覆巖層的地質柱狀圖

2 上層采空積水物探

2.1 掘進頭探測及解釋

（1）掘進頭探測

正升煤業(yè)公司北翼回風大巷掘進面施工到780 m時，頂板淋水加大，兩幫礦壓增加。 為此，地質技術人員采用井下礦用瞬變電磁技術，對掘進頭進行超前探測。沿煤層巷道掘進面布置45°、0°、-45°測線3 條， 利用移動發(fā)射接收線圈發(fā)射掘進頭電磁波，接收正方形線圈從而生成3 條超前探測的實測剖面，以掘進頭超前上方頂板以仰角45°探測扇形為例說明，見圖2。

圖2 掘進頭上方45°探測剖面

（2）地質成果解釋分析

分析南翼回風大巷掘進面探測切片圖及扇形剖面，在頂板以俯角45°由下、向上距離0～60 m范圍， 視電阻率等值線呈近水平層狀均勻分布，說明該段地層未有積水現(xiàn)象，裂隙欠發(fā)育；頂板60～120 m 范圍內， 向上視電阻率等值線發(fā)生扭曲變型，紅色圈定的區(qū)域YC1 為低阻異常區(qū)。地質推斷：可能為頂部小窯巷道積水，老空水區(qū)通過原始構造相互連通，低阻呈片狀分布，區(qū)域較大，富水性較強。

2.2 上層采空積水量預測

低阻異常區(qū)YC1 為2、3、4 號煤層的小窯采空或破壞區(qū)，屬于礦井兼并重組前或者更早的老窯采空區(qū)，頂板冒落沉降、巖石充填，在低洼地帶集聚形成積水區(qū)。 根據(jù)2、3、4 號煤層瞬變電磁視電阻率扇形切片圖及剖面解釋，可以確定低阻異常區(qū)YC1 積水面積約為7 850 m2。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》解讀，2、3、4 號煤層采空區(qū)YC1 積水量估算公式：

式中：S 為積水面積，m2；M 為煤層厚度，m；K 為充水系數(shù)，2、3、4 號煤屬于山西組， 取0.3；α 為煤層傾角，°，2、3、4 號煤層都屬于近水平煤層，取3°。

采用公式（3），分別計算2、3、4 號煤層采空區(qū)YC1 積水量：2 號煤層厚度為1.29 m， 采空區(qū)積水量約為3 020 m3；3 號煤層厚度為0.85 m， 采空區(qū)積水量約為2 000 m3；4 號煤層厚度為1.19 m，采空區(qū)積水量約為2 820 m3；合計2、3、4 號煤層采空區(qū)積水量約為7 840 m3。

3 9+10+11 號煤層開采導水裂隙帶高度計算

根據(jù)9+10+11 號煤層頂板為堅硬的石灰?guī)r，采用下列經驗公式計算其導水裂隙帶高度：

式中：Hli為導水裂隙帶高度m；∑M 為累計采厚m。

9+10+11 煤層最厚厚度為8.28 m，采用經驗公式（1）、（2）計算其導水裂隙帶高度為60.47～78.27 m，取最大值78.27 m。 由上計算和地層埋藏深度可知，上層2、3、4 號煤層采空區(qū)及其底板的含水層K7灰?guī)r受后期開采的9+10+11 號煤層導水冒落裂隙帶影響，上部采空區(qū)積水會沿導水裂隙進入下部的9+10+11 號煤層采區(qū)，影響下層煤層開采。 因此，在巷道掘進時，必須進行采空區(qū)積水探測，必要時采用人工疏水、排水措施。

4 結語

以正升煤業(yè)公司北翼回風大巷掘進工作面采空區(qū)積水預測預報為例，通過計算頂板導水裂隙帶高度、采用礦井瞬變電磁法探測其積水位置及積水量，對同類上層采空區(qū)積水不明確的掘進工作面具有參考價值。

1）通過地質分析和經驗公式計算9+10+11 號煤層開采的導水裂縫帶高度，到達裂隙上覆2、3、4 號煤層采空區(qū)積水以上， 采動導水裂隙發(fā)育充分，確定上層采空區(qū)積水對9+10+11 號煤層開采有影響。

2）掘進工作面采用瞬變電磁法超前探測，確定了上部煤層采空積水的位置、范圍和邊界，減少人工掘進探巷的成巷成本。

3）實踐證明，近距離煤層群開采，有導通上層采空區(qū)積水危險的，可利用“水文地質條件分析＋物探先行”綜合方法進行有效探測，以采取必要的防范措施，確保采掘工程的順利進行。