礦井瞬間電磁法在孤島工作面防治水中的應(yīng)用

李 佳，李恩來

(山西潞安化工集團 王莊煤礦，山西長治 046031)

王莊煤礦經(jīng)過50多a的安全高效開采，煤炭資源實際儲量不斷減少，為了扎實推進精益管理指導(dǎo)下的“算賬文化”，加強邊角煤孤島煤柱資源回收利用成為保障煤炭供給的一項重要工作。從礦井防治水來講，孤島工作面周邊均為采空區(qū)，回采過程中可能受到采空區(qū)積水、頂?shù)装濉⒚簬r體富水及可能存在的導(dǎo)水通道的綜合水害威脅，極易造成工作面出水事故[1]。為了有效避免水害事故的發(fā)生，回采前，必須采取有效的探測方法查明工作面范圍內(nèi)富水區(qū)域的分布情況。礦井瞬變電磁法(MTEM)是目前礦井水文勘查中應(yīng)用較為廣泛的一種物探手段，尤其對查明含水通道、采空區(qū)積水、深部不規(guī)則水體方面具有較為明顯的優(yōu)勢[2-4]。本文以52M2孤島工作面為例，對MTEM技術(shù)在王莊煤礦孤島工作面富水情況探測中的應(yīng)用進行探討。

1 研究區(qū)概況

52M2 工作面位于王莊煤礦52采區(qū)，主采3號煤層，煤層厚度穩(wěn)定，均厚6.9 m，工作面整體兩頭高中間低，煤層傾角5～15°，工作面前半部分為向斜構(gòu)造，后半部分整體上山。52M2風(fēng)巷傾斜長420+222 m，運巷傾斜長735 m，工作面設(shè)計為刀把面，里切眼長157 m，外切眼長119 m，按照工作面布置，沿工作面本層穿越52猴車巷和52材料運輸巷。工作面北部為5205已采工作面，南為52/3已采工作面，西為52煤倉，東為13放水巷。52M2工作面主要充水水源為3號煤層上部的頂板砂巖含水層，砂巖含水層中的水以及空巷中的水，正常水量為0.2～0.25 m3/h，工作面為非(奧灰水、太灰水)承壓。

由于工作面孤島的特殊性，為了消除52/3、5205已采工作面采空區(qū)積水影響，在風(fēng)運巷掘進期間，采用瞬變電磁法+鉆探驗證的方法對老空區(qū)積水進行探測，現(xiàn)場瞬變電磁法結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常低阻區(qū)，但為了確保掘進和回采安全，現(xiàn)場施工鉆孔進行驗證，風(fēng)巷共計施工12個鉆孔，運巷施工23個鉆孔，驗證結(jié)果未發(fā)現(xiàn)老空區(qū)積水區(qū)。為查明52M2工作面內(nèi)600 m范圍內(nèi)頂板、順層、底板煤巖體富水情況及導(dǎo)水通道分布情況，消除水害威脅，設(shè)計采用礦井瞬變電磁法對工作面充水性進行探測。

2 施工設(shè)計與探測布置

本次探測使用的儀器為安徽惠州地質(zhì)安全研究院研制的YCS360A型瞬變電磁測深儀，根據(jù)現(xiàn)場不同參數(shù)探測試驗結(jié)果，本次探測選定采集參數(shù)發(fā)射頻率為5 Hz，采樣頻率1.25 MHz，疊加采樣128次，以此采集傳播穿透能力更強、信噪比更高、更為可靠的二次感應(yīng)電磁場衰減數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場探測分別沿52M2工作面運巷、風(fēng)巷每10 m布置1個瞬變電磁測點，52M2運巷探測自切眼口開始向巷道內(nèi)進行布置，至600 m處結(jié)束，對應(yīng)探測點號為運巷0號～運巷60號；52M2風(fēng)巷探測自繞口點處(對應(yīng)52M2運巷610 m處)開始向切眼方向布置，至切眼口結(jié)束，有效探測長度620 m，對應(yīng)探測點號為風(fēng)巷0號～運巷62號，見圖1。52M2運巷、風(fēng)巷每個測點探測分為頂板30°方向、頂板15°方向、順煤層方向和底板30°方向，共4個方向，見圖2。

圖1 52M2工作面瞬變電磁探測布置示意

圖2 52M2工作面瞬變電磁探測方向示意

根據(jù)工作面實際情況，52M2運巷有效探測長度600 m，共采集瞬變電磁測點61個，每個點采集4個方向，共計數(shù)據(jù)點244個；52M2風(fēng)巷有效探測長度620 m，共采集瞬變電磁測點63個，每個點采集4個方向，共計數(shù)據(jù)點252個。

3 數(shù)據(jù)處理與成果解釋

瞬變電磁在礦井探水，探測構(gòu)造中的解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律，這種變化規(guī)律的存在，表現(xiàn)出巖石導(dǎo)電性的變化[3-4]。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體，解釋為相對富水。根據(jù)MTEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，即可確定橫向、水平深度和垂向深度的電性變化情況。礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)處理選擇MTEM系統(tǒng)配套數(shù)據(jù)處理軟件。處理流程為：數(shù)據(jù)室內(nèi)回放—數(shù)據(jù)的預(yù)處理(轉(zhuǎn)化、拆分)—曲線剖面分析—濾波處理—視電阻率計算—三維正反演—剖面繪制。

首先，選取運巷60號點為坐標(biāo)系統(tǒng)的原點，沿風(fēng)巷至切眼方向為X軸正方向(同為探測法向方位角0°方位)，平行于切眼由運巷指向風(fēng)巷方向為Y軸正方向(同為探測法向方位角90°方位)，距離52M2工作面巷道垂直方向為Z軸，以巷道底板為起點，高于巷道底板的為正方向，低于底板的為負方向。其中，風(fēng)巷0～3號探測點與X軸水平方向呈21°夾角，風(fēng)巷41～44號探測點與X軸水平方向呈42°夾角。52M2工作面風(fēng)巷、運巷探測幫壁均鋪設(shè)有排水管路，結(jié)合現(xiàn)場探測實際情況，部分區(qū)域采用了支架或工字鋼進行支護，運巷部分區(qū)域底板存在積水，以上因素對本次瞬變電磁探測均有一定的影響。

根據(jù)本次瞬變電磁法探測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，以及52M2工作面的實際情況，對比分析以往探測經(jīng)驗，對比參照瞬變電磁探測立體成果，見圖3，對52M2工作面面內(nèi)富水性瞬變電磁探測成果進行綜合分析，52M2工作面整體探測數(shù)據(jù)良好，52M2運巷切眼前200 m(對應(yīng)成果圖400～600 m)探測受排水管路影響較大，故未作異常圈定。52M2工作面存在3處異常區(qū)，分別為頂板富水異常區(qū)YC-1異常區(qū)、底板富水異常區(qū)YC-2異常區(qū)和YC-3異常區(qū)。

圖3 52M2工作面頂?shù)装甯凰运沧冸姶盘綔y立體成果

1) YC-1異常區(qū)：位于52M2運巷190～210 m范圍內(nèi)相對低洼處，偏面內(nèi)20 m，高度為工作面+2～+40 m。異常區(qū)呈現(xiàn)閉合形態(tài)，視電阻率阻值在19 Ω·m左右，結(jié)合現(xiàn)礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，綜合分析YC-1為受3號煤層頂板砂巖含水層(主要為K8)所致。

2) YC-2異常區(qū)：位于52M2風(fēng)巷170～250 m范圍內(nèi)向斜相對低洼處，偏面內(nèi)0～60 m，高度為工作面-20～-40 m。異常區(qū)呈現(xiàn)為雙閉合聚集，視電阻率阻值在13～20 Ω·m之間，綜合推斷可能為底板砂巖含水層所致。

3) YC-3異常區(qū)：位于52M2風(fēng)巷310～340 m范圍內(nèi)，偏面內(nèi)20～30 m，高度為工作面-20～-40 m。異常區(qū)呈現(xiàn)閉合形態(tài)，視電阻率阻值在18 Ω·m左右，綜合推斷可能為底板砂巖含水層所致。

根據(jù)礦井瞬變電磁法探測結(jié)果，對3個富水異常區(qū)位置和區(qū)域進行鉆探驗證，結(jié)果表明，探測結(jié)果與實際水文地質(zhì)情況基本相符，僅是鉆探驗證圈定范圍與探測圈定結(jié)果存在較小的差別。除此之外，對52M2運巷切眼前200 m(對應(yīng)成果圖400～600 m)低阻區(qū)也進行了探測驗證，驗證結(jié)果顯示該區(qū)域底板不存在富水異常區(qū)，排水管路影響造成低阻區(qū)的存在，進一步驗證了探測結(jié)果的正確性。

4 結(jié) 語

根據(jù)瞬變電磁法探測結(jié)果，52M2工作面存在3個低阻異常區(qū)，結(jié)合現(xiàn)有礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料以及52M2工作面的實際情況，綜合判斷分析，3個低阻異常區(qū)中1個低阻異常區(qū)(YC-1)為K8頂板砂巖含水層所致，2個低阻異常區(qū)(YC-2、YC-3)為3號煤層底板下砂巖含水層所致，并通過鉆探驗證了探測結(jié)果的準確性。

為了有效的保證回采期間不受水害威脅，應(yīng)當(dāng)做好如下工作：

1) 加強工作面回采過程中的地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)預(yù)報工作，觀測回采過程中的水文地質(zhì)情況，建立觀測臺帳，幫助分析及預(yù)測未來水量變化。

2) 回采過程中對出現(xiàn)的地質(zhì)異常以及異常區(qū)域的水文地質(zhì)情況及時進行記錄，地質(zhì)及防治水技術(shù)人員可結(jié)合視電阻率分布情況進行深入解釋，必要時與探測方技術(shù)人員聯(lián)系，以便對成果資料進一步分析解釋，必要情況下可開展加密觀測工作，為現(xiàn)場施工提供參考。