掘進(jìn)工作面臨近積水采空區(qū)水害防治技術(shù)應(yīng)用

張 文

（陜西煤業(yè)集團(tuán)黃陵建莊礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727300）

工作面回采完畢后，留下的采空區(qū)長時間處于密閉狀態(tài)，內(nèi)部多有積水、 有害氣體聚集等危害，以積水最為常見。臨采空區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，一旦與采空區(qū)導(dǎo)通，往往會有大量積水涌出，嚴(yán)重威脅掘進(jìn)工作面的安全[1-2]。為解決該問題，我國相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易鲞^大量研究，張京民、劉景勇研究了瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)水害治理中的應(yīng)用，通過瞬變電磁的方法對采空區(qū)水量情況進(jìn)行了探測，并進(jìn)行了物探分析；陳健強(qiáng)教授研究了瞬變電磁在采空區(qū)中的全面響應(yīng)研究，研究出不同介質(zhì)產(chǎn)生的電磁信號差異性；薛國強(qiáng)、于景邨對瞬變電磁法在煤炭領(lǐng)域的研究與應(yīng)用發(fā)展動向進(jìn)行了研究，順便電磁法的應(yīng)用進(jìn)行了展望，其他專家分別進(jìn)行了相關(guān)物探研究工作[3-5]。現(xiàn)以山西王家河煤礦4-2302 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)工作為研究對象，秉承“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理”的安全理念，運(yùn)用大地瞬變電磁法對掘進(jìn)頭前方進(jìn)行探測，判定采空區(qū)內(nèi)積水。經(jīng)鉆探驗證，結(jié)果和勘探結(jié)果基本一致，證明物探結(jié)果真實可靠。

1 礦井及4-2302 工作面概況

王家河煤礦為低瓦斯礦井，核定產(chǎn)能0.90 Mt/a，礦井生產(chǎn)工作面一個，備采面一個。工作面采用走向長壁式綜合機(jī)械化采煤法回采。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，工作面采用U 型通風(fēng)。目前，礦井主采煤層為4-2#煤層，煤層平均厚度3.57 m，煤質(zhì)為無煙煤。4-2302工作面走向長度為1 916 m，切眼長度為170 m，工作面平均埋深256 m，埋深較淺。4-2302工作面回風(fēng)巷臨近4-2301 工作面，4-23021 工作面已經(jīng)回采完畢，其上部有原3202 工作面開采2#煤層已回采完畢，2#煤層距離4-2#煤層平均距離為61 m。

2 4-2302 工作面地質(zhì)分析

根據(jù)礦井地質(zhì)勘察報告可知，王家河煤礦4-2302工作面地面為山丘地形，山林植被茂盛，區(qū)域內(nèi)無建、構(gòu)筑物。地表土質(zhì)為第四系黃土和松散沉積物。礦井煤層柱狀圖如圖1所示。4-2302工作面區(qū)域內(nèi)4-2煤層平均埋深460 m，上覆巖層有三層隔水層且隔水效果比較好，地表水通過煤層出露頭補(bǔ)給工作面水的概率不大。4-2煤層基本頂為砂巖，平均厚度3 m，弱富水性，通過探測局部有裂隙，巷道掘進(jìn)過程中會出現(xiàn)局部滴水現(xiàn)象，水害危險性小。

圖1 4-2 煤煤層柱狀圖

4-2302回風(fēng)巷掘進(jìn)靠近3302 采空區(qū)位置布置，4-2302回風(fēng)巷整體高度低于3302 采空區(qū)，巷道與3302 采空區(qū)回風(fēng)巷煤柱水平距離為6 m。根據(jù)以上情況分析，當(dāng)4-2302回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，主要水源為3302 采空區(qū)積水，積水通過預(yù)留煤柱流入4-2302回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域。為安全掘進(jìn)，每一循環(huán)的掘進(jìn)作業(yè)均需要做好超前探測和前期排放水工作。

4-2302回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，設(shè)備可排放清水量為200 m3/h。目前，巷道掘進(jìn)迎頭污水涌出量在15～30 m3/h； 4-2302膠帶運(yùn)輸巷掘涌水量為10 m3/h；巷道排水設(shè)施可以滿足回風(fēng)巷和膠帶運(yùn)輸巷正常掘進(jìn)排水要求，但依舊需要做好探放水工作。

3 4-2302 掘進(jìn)工作面瞬變電磁法應(yīng)用

3.1 瞬變電磁法基本原理

線圈通電后會產(chǎn)生電磁脈沖信號，由于不同介質(zhì)的電阻率不同，導(dǎo)致電磁波在其中傳播速度不同。瞬變電磁就是通過通電線圈向煤巖介質(zhì)發(fā)射一個脈沖信號，通過另一個線圈進(jìn)行接收，對接收的電磁信號進(jìn)行反演分析，得出剖面圖[6-7]。

3.2 4-2302掘進(jìn)工作面瞬變電磁法應(yīng)用

4-2302 掘進(jìn)工作面回風(fēng)巷已經(jīng)掘進(jìn)1 200 m，為探測巷道迎頭前方采空區(qū)積水情況，進(jìn)行了瞬變電磁探測工作。采用設(shè)備有礦用本質(zhì)安全型瞬變電磁儀TEMHZ75 主機(jī)1 臺、TEMJF50 礦用隔爆兼本安型瞬變電磁儀發(fā)射機(jī)1 臺和配套裝置1 套，如圖2所示。主要針對王家河煤礦4-2302 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭前方區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場實施過程中，首先使用發(fā)射器在測點發(fā)射一個脈沖信號，每隔10 s 進(jìn)行數(shù)據(jù)回收。由于3202 工作面已經(jīng)回采完畢，內(nèi)部垮落積水情況不明，需對前方分角度進(jìn)行物探探測。電磁波發(fā)射和接收必須采用不同角度，方能探測出前方水害情況。電磁波發(fā)射角度分別為0°、30°、60°，發(fā)射完成后運(yùn)用surfer 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演分析，數(shù)據(jù)分析得出距離回風(fēng)巷0°、30°、60°斷面電阻率剖面，如圖3所示。

圖2 瞬變電磁探點位置平面

圖3 電阻率剖面

3.3 數(shù)據(jù)分析

由圖2可知，巷道0°剖面前方250 m 范圍內(nèi)無電阻率異常，整體情況處于電阻率為50 Ω.m，電阻率大小和煤巖電阻率一致，推測前方基本為煤巖；傾角30°剖面前方150 m 位置出現(xiàn)電阻率異?，F(xiàn)象，電阻率為3 Ω.m 低阻，水位點距離迎頭標(biāo)高水平距離75 m； 傾角60°剖面250 m 位置出現(xiàn)電阻率異常，電阻率普遍為1～3 Ω.m超低阻區(qū)域。通過角度計算，前方水平距離130 為水害區(qū)域，水位點距離迎頭標(biāo)高水平距離為25 m，因此推測在前方水平位置約130 m 位置，高度75 m位置存在水害，電阻率異常區(qū)域顯示，水位高度約為12 m，整體水量比較大。綜合分析，水位最低點在掘進(jìn)頭標(biāo)高上下20～25 m 范圍，最高點標(biāo)高在掘進(jìn)迎頭標(biāo)高上下70～80 m 范圍，整體水位深度約為60 m。

4 4-2302 掘進(jìn)工作面鉆探驗證

根據(jù)物探結(jié)果，掘進(jìn)頭前方130 m 位置存在水害危險，其標(biāo)高在迎頭標(biāo)高上約70～80 m。經(jīng)鉆孔驗證（鉆孔設(shè)計如圖4所示，鉆孔參數(shù)如表1所示）。掘進(jìn)頭前方平距130 m 位置有水，其中3#鉆孔水量最大，流速最快； 其次是1#鉆孔和2#鉆孔，4#鉆孔和5#鉆孔水流量較低。根據(jù)鉆孔傾角可知，4#、5#鉆孔落底位置標(biāo)高較高，因此水流量較小?，F(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，4#、5#鉆孔在水流3 h 后不再出水，因此推測，4#、5#鉆孔施工位置點為采空水位最高點；3#鉆孔水量一直較大，1#、2#鉆孔出水量均勻，整體水量基本一致。通過計算，5#鉆孔出水點和3#鉆孔出水點標(biāo)高差為11 m，因此推測，采空區(qū)積水高度約為12 m。探測結(jié)果與物探結(jié)果基本一致，證明瞬變電磁法探測積水位置結(jié)果基本可靠。

圖4 鉆孔設(shè)計

表1 鉆孔參數(shù)

為確定4-2302 掘進(jìn)工作面前方具體水量大小，對目前已經(jīng)施工的5 個鉆孔涌水量進(jìn)行觀測統(tǒng)計分析，統(tǒng)計時間為7 天，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 鉆孔涌水量統(tǒng)計

由圖5可知，3#鉆孔第一天平均用水量為18 m3/h，隨著時間不斷推移，涌水量逐漸增大，最大涌水量為57 m3/h；1#鉆孔和2#鉆孔第一天平均涌水量分別是12 m3/h 和10 m3/h，最大涌水量分別是36 m3/h 和34 m3/h；1#鉆孔和2#鉆孔涌水量變化率基本一致；4#鉆孔和5#鉆孔第一天平均涌水量分別是4 m3/h 和1 m3/h，最大涌水量分別是14 m3/h 和16 m3/h；4#鉆孔和5#鉆孔涌水量變化率基本一致； 通過涌水量分析結(jié)果可知，4-2302 掘進(jìn)工作面正前方130 m 位置點水量較大，隨著掘進(jìn)工作面不斷推移，水害危險會愈加明顯，最大涌水量預(yù)計超過57 m3/h，因此必須施工更多放水鉆孔，并布置好相應(yīng)排水設(shè)施，滿足掘進(jìn)工作面排水安全需求。

5 結(jié)論

本文以王家河煤礦4-2302 工作面為研究對象，采用瞬變電磁物探法分析回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭前方水害情況，得到以下結(jié)論:

1）瞬變電磁法探測出0°、30°、60°剖面電阻率分布圖，顯示掘進(jìn)迎頭前方平面距離130 m存在采空區(qū)積水，積水高度約為12 m。

2）施工驗證鉆孔5 個，分析鉆孔不同角度顯示，迎頭前方130 m 位置存在水害，積水高度約為11.8 m。

3）施工鉆孔進(jìn)行為期一周的排水水量統(tǒng)計，水量最大的是3#鉆孔，最大水量為57 m3/h，因此必須做好掘進(jìn)工作面放水工作。

4）物探結(jié)果和鉆探結(jié)果基本一致。因此，臨近采空區(qū)積水水害的防治中可采用物探和鉆探相結(jié)合的方法，對條件相似的臨采空區(qū)水害防治具有一定指導(dǎo)意義。