綜合物探與鉆探方法在煤礦頂板水害防治中的應(yīng)用

楊磊

摘 要：為了提高工作面回采時(shí)的安全性與效率，必須對(duì)頂板水害加以防治處理?，F(xiàn)有的物探手段受方法條件限制，單一物探手段對(duì)于低阻充水區(qū)域的定位并不完全準(zhǔn)確，存在偽異?，F(xiàn)象。采取綜合物探的方法，使用多種物探手段對(duì)同一工作面進(jìn)行探測，能夠有效地提升探測的準(zhǔn)確性。以陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司的44205工作面頂板水探測為例，驗(yàn)證了綜合物探方法的有效性，并使用鉆探結(jié)果對(duì)物探資料解釋加以驗(yàn)證，結(jié)果表明，綜合物探方法比單一物探手段有更高的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：煤礦頂板水害防治;礦井瞬變電磁;音頻電透視;綜合物探

中圖分類號(hào)：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0066-05

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting and Drilling Methods in Hongliulin Coal Mine

YANG Lei

（Shaanxi Coal Group Shenmu Hongliulin Mining Co.， Ltd.， Shenmu Shaanxi 719300）

Abstract： In order to improve the safety and efficiency of the working face， it is necessary to prevent and treat the roof water damage. The existing geophysical prospecting methods are limited by the method conditions， and the single geophysical prospecting method is not completely accurate in positioning the low-resistance water-filled area， and there is a false abnormal phenomenon. This article adopts a comprehensive geophysical approach， using multiple geophysical methods to detect the same working face， which can effectively improve the accuracy of detection. This article uses the 44205 working face roof water detection as an example to verify the effectiveness of the integrated geophysical method， and uses the drilling results to verify the interpretation of the geophysical data. It turns out that the surface integrated geophysical method is more accurate than a single geophysical method.

Keywords： coal mine roof water hazard prevention;mine transient electromagnetic;audio electric perspective;comprehensive geophysical prospecting

頂板水害一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，而頂板富水區(qū)域是導(dǎo)致頂板突水的重要因素。因此，頂板富水區(qū)域的探測能夠有效預(yù)防礦井水害的發(fā)生，為水害防治工作提供依據(jù)。目前國內(nèi)對(duì)頂板水害通常采用綜合防治方法，其中頂板富水區(qū)域的探測主要采用鉆探和物探的方法。鉆探是最準(zhǔn)確最直接有效的頂板水探測方法，但鉆探工程存在用時(shí)長、效率低、探測范圍有限的缺點(diǎn)，很難全面反映工作面整體的頂板富水情況。而礦井物探方法作為一種成本低、覆蓋范圍廣的非接觸式探測方法，在頂板富水區(qū)探測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中，瞬變電磁法因具有對(duì)低阻體靈敏度高的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于頂板富水區(qū)域的探測，并取得了較為準(zhǔn)確的結(jié)果[1-3]。此外還有地面大回線瞬變電磁法[4]以及音頻電透視法[5]等物探方法。

但有些煤礦探測目標(biāo)周圍的地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，圍巖分布極不均勻，由此帶來的物探多解性問題、誤差干擾嚴(yán)重問題，使得單一物探方法的處理和解釋更加困難[6-7]。因此，本文提出采用兩種或兩種以上的物探手段對(duì)同一目標(biāo)體進(jìn)行探測，兩種物探手段相互驗(yàn)證，綜合解釋，進(jìn)一步提高了探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司的44205工作面綜合物探為例，加以鉆探結(jié)果驗(yàn)證，證明對(duì)于頂板水低阻異常區(qū)勘探，綜合物探比單一物探方法更具優(yōu)勢，更適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的勘探。

1 水患分析及地質(zhì)任務(wù)概況

該工作面上覆無采空區(qū)，無斷層，無河流池塘等水系。工作面頂板受風(fēng)化剝蝕影響，裂隙發(fā)育，有較好的充水條件，主要接受區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給和上部地下水的滲透補(bǔ)給。該含水層是本區(qū)的主要含水層，厚度在5～30 m。工作面頂板含隔水層位置如圖1所示。

工作面煤層厚度為3.6 m，根據(jù)《煤礦防治水手冊(cè)》，頂板導(dǎo)裂帶高度范圍通常為煤厚的17倍。在此范圍內(nèi)，回采時(shí)的垮落可能導(dǎo)致裂隙導(dǎo)通含水層發(fā)生突水事故，因此本次探測范圍必須設(shè)定在61.2 m以上[8]。同時(shí)，從圖1中可以看出，頂板上方約5 m處的細(xì)砂巖風(fēng)化裂隙層為本區(qū)域內(nèi)的主要含水層，為工作面頂板水害的主要威脅區(qū)域，在回采過程中極易接收區(qū)域側(cè)向補(bǔ)水成為主要突水水源。因此，該含水層為本次勘探任務(wù)的主要目的層。

本次勘探任務(wù)定為探查44205工作面頂板上80 m高度范圍內(nèi)巖層富水性異常區(qū)垂向分布范圍、相對(duì)強(qiáng)弱等特征，以期為44205工作面防治水害工程的設(shè)計(jì)、實(shí)施提供參考資料。

2 物探方法選擇與施工方案

2.1 物探方法選擇

本次探測的工作面寬度達(dá)到了330 m，工作面頂板巖性以砂巖為主，為高阻電性層，而礦井裂隙水導(dǎo)電性良好，使含水構(gòu)造在電性上與圍巖有較大差異，從而在縱向與橫向上都打破了原有地層電性的固有變化規(guī)律。這些變化特征為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ)的電法勘探提供了良好的物性前提。

音頻電透視方法能夠橫跨工作面達(dá)到探測效果，又具備無盲區(qū)的優(yōu)勢;瞬變電磁方法施工便捷，對(duì)低阻異常體靈敏。因此，選用礦井瞬變電磁法與音頻電透視法兩種物探手段對(duì)工作面頂板展開探查。

2.2 井下施工布置方案

2.2.1 礦井瞬變電磁探測。本次勘探使用中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的YCS2000礦用瞬變電磁儀。設(shè)計(jì)沿工作面兩側(cè)巷道進(jìn)行探測。

由于工作面的寬度達(dá)330 m，為了詳細(xì)查明工作面頂板的含富水情況，同時(shí)考慮到工作面頂板主要富水區(qū)域在頂板上方5～30 m的情況，瞬變電磁測深在每個(gè)測點(diǎn)以與工作面呈30°、60°、90°的方向進(jìn)行探測，即每個(gè)測點(diǎn)采集3個(gè)方向的數(shù)據(jù)，以盡可能地覆蓋到工作面頂板5～30 m的大部分區(qū)域。

本次井下瞬變電磁探測方向示意圖如圖2所示。測點(diǎn)范圍覆蓋兩條巷道里程0～1 920 m，點(diǎn)距10 m，共計(jì)測點(diǎn)386個(gè)，瞬變電磁數(shù)據(jù)1 158組。為保證探測數(shù)據(jù)質(zhì)量，探測期間工作面全程斷電。

2.2.2 音頻電透視探測。本次勘探使用的儀器為中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自行研制并生產(chǎn)的YT120（A）（原DTS-IA）型防爆音頻電透視儀。測點(diǎn)范圍覆蓋里程0～1 920 m，設(shè)計(jì)供電點(diǎn)點(diǎn)距為50 m，測量記錄點(diǎn)點(diǎn)距為10 m，單一供電點(diǎn)設(shè)置18～35個(gè)測量記錄點(diǎn)，施工布置如圖3所示，采用平行單極-偶極法施工方法，如圖4所示。

3 資料處理與解釋

3.1 礦井瞬變電磁資料解釋

對(duì)采集到的瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換濾波降噪、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換以及礦井多匝小線圈矯正等處理后，根據(jù)地層的電性特征繪制視電阻率色譜圖件。

本次探測所獲得的工作面頂板瞬變電磁探測范圍20 m、40 m、60 m的探測結(jié)果如圖5所示。分析工作面頂板上20 m、40 m、60 m范圍內(nèi)瞬變電磁視電阻率低阻異常的平面分布特征，可以發(fā)現(xiàn)工作面主要存在3處視電阻率異常區(qū)。

S1異常區(qū)：在20 m層段分布范圍較大，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)較強(qiáng);在40 m層段分布范圍相對(duì)中等，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)中等;在60 m層段分布范圍相對(duì)中等，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)中等。

S2異常區(qū)：在20 m層段分布范圍較大，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)較強(qiáng);在40 m層段分布范圍較大，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)中等;在60 m層段分布范圍較小，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)較弱。

S3異常區(qū)：在20 m層段分布范圍相對(duì)中等，條帶性較強(qiáng)，異常幅值相對(duì)較強(qiáng);在40 m層段分布范圍較小，條帶性較弱，異常幅值較弱;在60 m層段無分布。

3.2 音頻電透視資料解釋

對(duì)采集的音頻電透視數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演處理，并繪制相對(duì)低阻異常區(qū)域解釋圖。

本次探測所獲得的工作面頂板音頻電透視探測范圍20 m、40 m、60 m的探測結(jié)果如圖6所示。本次音頻電透視法在工作面頂板上方共發(fā)現(xiàn)3處異常區(qū)，從回撤通道向切眼方向依次標(biāo)為Y1號(hào)、Y2號(hào)和Y3號(hào)異常區(qū)。

Y1異常區(qū)：在20 m層段分布范圍小，呈長條塊狀，隨著深度的加深，異常區(qū)域范圍變大，異常幅值強(qiáng)。

Y2異常區(qū)：分布不集中，整體大小隨深度的加深而增大，異常幅值一般。

Y3異常區(qū)：分布零散，在20 m層段面積最大，60 m層段面積最小，異常幅值很弱。

3.3 物探資料綜合解釋

兩種物探手段的綜合異常分布如圖7所示，工作面頂板探測三維示意圖如圖8所示。對(duì)比兩種單一物探手段的資料解釋可以發(fā)現(xiàn)，兩種物探手段劃分的異常區(qū)域相對(duì)應(yīng)但并不完全重疊，主要是由探測原理及解釋技術(shù)的不同所造成的。

如圖7所示，兩種物探手段對(duì)于相對(duì)異常區(qū)域的劃分在1號(hào)異常區(qū)與2號(hào)異常區(qū)左半側(cè)高度重疊，而在其他部分分布分散且不重合。結(jié)合3.1節(jié)與3.2節(jié)的相對(duì)異常幅值大小的分析推斷，1號(hào)異常區(qū)與2號(hào)異常區(qū)左半側(cè)異常區(qū)重疊面積大，相對(duì)異常幅值也比其他區(qū)域較大，為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

根據(jù)地質(zhì)資料分析可知，工作面左側(cè)風(fēng)化更嚴(yán)重，充水條件富足。因此，本次綜合物探最終解釋結(jié)論為：1號(hào)異常區(qū)、2號(hào)異常區(qū)左側(cè)主要為頂板新鮮基巖和風(fēng)化基巖含水層相對(duì)富水所致。

4 物探成果鉆探驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證綜合物探在44205工作面內(nèi)的成果，設(shè)計(jì)在頂板打探放水鉆孔來探查頂板富水區(qū)域的情況。共設(shè)鉆場7個(gè)，鉆孔23個(gè)，其中9個(gè)鉆孔的目標(biāo)方位位于綜合物探解釋的重點(diǎn)異常區(qū)，14個(gè)鉆孔的目標(biāo)方位位于綜合物探解釋的正常區(qū)域。本次鉆探驗(yàn)證的情況如圖9所示。

出水鉆孔共計(jì)5個(gè)。其中，Z16鉆孔出水量最大，達(dá)到10 m3/h，但經(jīng)過10 d的放水后，出水量衰減至7 m3/h;Z9鉆孔出水量為2 m3/h;Z10、Z17、Z19出水量為4 m3/h。各鉆孔出水情況表明，本次出水位置主要集中在工作面頂板1號(hào)異常區(qū)域以及2號(hào)異常區(qū)域左側(cè)，其他位置只有少量淋水，屬正常現(xiàn)象。

從鉆孔涌水量變化情況中可推斷出：含水區(qū)域的水經(jīng)過一段時(shí)間的疏放后呈逐漸減小趨勢，截至目前涌水量比較穩(wěn)定，說明該含水區(qū)域以動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量為主，局部靜儲(chǔ)量水較多。

5 結(jié)語

通過44205工作面頂板綜合物探富水異常區(qū)域的探測，結(jié)合鉆探結(jié)果的驗(yàn)證，證明了兩種物探手段在單獨(dú)解釋時(shí)，盡管也將主要異常區(qū)域劃分在內(nèi)，但依然有大片的偽異常區(qū)域干擾判斷，而綜合物探方法對(duì)于異常區(qū)域的劃分準(zhǔn)確性比單一物探手段高。通過工作面相對(duì)低阻異常區(qū)的三維建模，翔實(shí)直觀地展示了工作面中富水異常區(qū)的分布位置及形狀范圍。最后，通過鉆探驗(yàn)證，確定富水異常區(qū)所在的出水層位，為礦井防治水工作提供了可靠的參考依據(jù)。

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