電法在煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素探查中的應(yīng)用

李學(xué)潛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

近年來，隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤礦水害日益突出，礦井水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，為貫徹落實(shí)十六字防治水原則，即“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的要求，電法勘探技術(shù)在煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素探查中得到了廣泛應(yīng)用。武強(qiáng)等指出電法勘探技術(shù)在充水水源、導(dǎo)水通道、老空區(qū)探查等方面取得了一定成果[1]。梁慶華以山西和尚嘴煤業(yè)為例,分析了礦區(qū)水害特點(diǎn),采用井上下物探與鉆探綜合探查手段,查明了隱蔽致災(zāi)因素[2]。董書寧等從充水水源特征、導(dǎo)水通道的性質(zhì)探查入手提出了煤層頂、底板水害探查技術(shù)及裝備,導(dǎo)水陷落柱探查、治理技術(shù)與裝備[3]。程久龍等介紹了近幾年來地球物理方法在地質(zhì)構(gòu)造、巖層含水性超前探測(cè)等方面的最新進(jìn)展與展望[4]。李文等從煤炭開采過程中遇到的常見含/水地質(zhì)異常體種類和特征為切入點(diǎn),研究了各種礦井地球物理勘探方法優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景,并對(duì)一些綜合物探應(yīng)用案例進(jìn)行了分析[5]。還有一些學(xué)者在高密度電法[6-8]、瞬變電磁法[9-11]、無線電波透視法[12-13]、直流電法[14-16]等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，在水害探查方面取得了良好效果。

1 水害隱蔽致災(zāi)因素特征

煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素是指隱伏在煤層及其圍巖內(nèi)、在開采過程中可能誘發(fā)水害的地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)體,具有隱蔽性、突發(fā)性、探測(cè)難度大等特點(diǎn),主要有以下幾類：

1)積水采空區(qū)。我國(guó)煤炭資源經(jīng)歷多年開采，淺部資源逐漸枯竭，煤礦逐漸轉(zhuǎn)向深部開采，上層煤開采后常形成的積水采空區(qū)，小煤窯亂挖亂采形成形態(tài)復(fù)雜的采空區(qū)。這些采空區(qū)內(nèi)通常會(huì)受到大氣降水及基巖裂隙水等的補(bǔ)給而產(chǎn)生大量積水。老窯積水采空區(qū)是造成礦井水害事故頻發(fā)的原因之一,空間分布形態(tài)、賦存規(guī)律復(fù)雜，積水來勢(shì)兇猛,破壞性大是其最顯著的特點(diǎn)。

2)陷落柱。陷落柱是煤系地層下伏灰?guī)r地層在巖溶侵蝕作用形成的溶洞規(guī)模不斷擴(kuò)大，直至出現(xiàn)垮塌,垮落空腔發(fā)育至上覆煤系地層中并被巖石充填形成的柱狀堆積體，其對(duì)煤礦安全生產(chǎn)危害極大。尤其是因隱伏陷落柱溝通巖溶水導(dǎo)致的突水具有突水量大、突水前不易發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)。

3)斷層。斷層縮短了采掘空間與含水層之間的距離,并通過斷層破碎帶、裂隙帶將承壓水導(dǎo)入采掘空間。斷層兩盤的移動(dòng)使采掘空間與含水層的相對(duì)位置發(fā)生改變,導(dǎo)致有效隔水層厚度的減小,甚至?xí)c斷層另一盤的含水層直接對(duì)接。斷層突水具有較強(qiáng)的隱蔽性和難確定性,易造成重大災(zāi)難。

4)封閉不良鉆孔。礦區(qū)地質(zhì)勘查時(shí)布置了大量的鉆孔，部分鉆孔因封堵材料量不足等原因形成了封閉不良鉆孔。當(dāng)鉆孔充水或與地表、井下不明水體、含水層連通時(shí)，受采動(dòng)影響或直接揭露鉆孔可能誘發(fā)突水事故。封閉不良鉆孔具有較強(qiáng)的隱蔽性，探測(cè)難度較大。

2 電法勘探方法

1)礦井直流超前探測(cè)。在井下建立人工點(diǎn)電源場(chǎng)，對(duì)于點(diǎn)電源來說，其球殼上的電位具有球?qū)ΨQ性。在地下巷道內(nèi)工作面供電點(diǎn)的后方就可以探測(cè)前方對(duì)稱位置的電場(chǎng)情況以預(yù)報(bào)掘進(jìn)頭前方含、導(dǎo)水體構(gòu)造分布。

2)音頻電穿透法。音頻電穿透法利用低頻交流視電阻率在一定條件下近似等價(jià)于直流電法視電阻率的原理，使用低頻交流單頻測(cè)量，利用相對(duì)簡(jiǎn)單的直流電法方法原理解釋。

3)瞬變電磁法。瞬變電磁法是一種感應(yīng)類時(shí)間域電法，該方法以接地或不接地導(dǎo)線向地下發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，瞬變電磁儀接收的信號(hào)是目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)(一次場(chǎng))作用下產(chǎn)生的渦流場(chǎng)(二次場(chǎng))的電動(dòng)勢(shì)，對(duì)二次場(chǎng)空間分布特性和時(shí)間特性進(jìn)行觀測(cè)和研究，根據(jù)反演得到的視電阻率可以推斷解釋如陷落柱、采空區(qū)、斷層等含水導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造。

3 隱蔽致災(zāi)因素探查效果

3.1 礦井直流電法超前探測(cè)老窯采空區(qū)

中國(guó)中煤能源股份有限公司平朔分公司某礦由于礦區(qū)內(nèi)老窯采空區(qū)分布不清、有無積水未知，成為9號(hào)煤掘進(jìn)工作的安全隱患。采用礦井直流超前探測(cè)技術(shù)探查老窯采空區(qū)、斷層等含水或?qū)刭|(zhì)構(gòu)造。圖1為9號(hào)煤南翼主運(yùn)大巷6號(hào)測(cè)量點(diǎn)前24 m的巷道迎頭位置直流電法順煤層超前探測(cè)結(jié)果。

探測(cè)結(jié)果：共發(fā)現(xiàn)2個(gè)低阻異常，一號(hào)異常低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)迎頭前方40 m～44 m處，二號(hào)異常低阻異常區(qū)位于100 m～108 m處。當(dāng)?shù)V方掘進(jìn)至掘進(jìn)迎頭前方43.3 m處時(shí)發(fā)生老窯透水事故，最大突水量約9 000 m3/h，造成工作面迅速被淹所幸未造成人員傷亡。后期礦方排干水后對(duì)二號(hào)低阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)其為老窯積水采空區(qū)。

寧夏石嘴山某礦回風(fēng)斜井掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)成果如圖2所示。共發(fā)現(xiàn)3個(gè)低阻異常，編號(hào)為一號(hào)異常、二號(hào)異常和三號(hào)異常，分別位于迎頭前方0 m～6 m，49 m～56 m和78 m～80 m處。后期對(duì)異常特征比較明顯的一號(hào)異常進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)異常，推斷物探異常為巖層裂隙水的反映。對(duì)二號(hào)異常進(jìn)行超前鉆探，結(jié)果表明前方為采空積水區(qū)，共疏放積水約22 000 m3。三號(hào)異常為局部破碎帶。

3.2 音頻電穿透法探測(cè)陷落柱

準(zhǔn)旗某煤礦6號(hào)煤層全井田奧灰?guī)?，下伏奧灰含水層將對(duì)煤層開采形成嚴(yán)重威脅。因此在工作面回采前，采用巷道電透視對(duì)工作面內(nèi)可能發(fā)育的垂向?qū)ǖ肋M(jìn)行探測(cè)。結(jié)果如圖3所示。

探測(cè)結(jié)果：異常在底板下0 m～80 m范圍內(nèi)均發(fā)育，為垂向聯(lián)通的低阻異常體，推測(cè)為垂向含水體。驗(yàn)證結(jié)果：在鉆孔未進(jìn)入異常范圍內(nèi)時(shí)出水量均小于10 m3/h，鉆孔進(jìn)入物探異常范圍內(nèi)后，出水量呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。目前該異常區(qū)已放水超過120萬m3。組織防治水專家組對(duì)工作面物探異常區(qū)探查召開專題會(huì)議。根據(jù)防治水專家組會(huì)議意見，工作面物探異常區(qū)基本確定為導(dǎo)水陷落柱。

3.3 礦井瞬變電磁法探測(cè)封閉不良鉆孔

山西某礦一批鉆孔因成孔時(shí)間較早，其準(zhǔn)確鉆孔位置和鉆孔封閉情況不明，成為隱蔽致災(zāi)因素。根據(jù)前期收集的地質(zhì)資料，某封閉不良鉆孔位置位于該礦2301輔運(yùn)巷掘進(jìn)迎頭附近。但是鉆孔的孔斜及封孔資料不詳。采用瞬變電磁探法探查該鉆孔的封堵情況，結(jié)果見圖4。

探測(cè)結(jié)果:在巷道迎頭正前方40 m有一個(gè)圓形的異常區(qū)域，該異常區(qū)位置與收集的地面鉆孔的位置較為接近，因此將其解釋為鉆孔的反映，且鉆孔的孔斜度較小。由視電阻率推斷該鉆孔在煤層附近富水性較弱，沒有與深部的灰?guī)r水直接導(dǎo)通的通道。驗(yàn)證結(jié)果：礦方在提交資料后，在異常區(qū)域以順掘進(jìn)方向偏左15°方向布設(shè)了90 m超前鉆孔，終孔無水。本次瞬變電磁法探測(cè)區(qū)域劃定的鉆孔位置與實(shí)際地面鉆孔位置基本吻合。

3.4 地面瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)

內(nèi)蒙古某露天煤礦西部為寶馬礦業(yè)(現(xiàn)已關(guān)停)，現(xiàn)有資料反映寶馬礦業(yè)越界開采該露天煤礦境界內(nèi)煤炭資源，形成采空區(qū)，其位置不明、積水情況不詳。上述越界開采不但給露天煤礦帶來較大的資源損失，而且目前輪斗挖掘機(jī)工作面已經(jīng)處于采空區(qū)上面，給輪斗挖掘機(jī)生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。采用地面瞬變電磁法探測(cè)越界開采6煤的采空區(qū)分布范圍和積水狀況，結(jié)果見圖5，圖6。

探測(cè)結(jié)果：圖5為測(cè)區(qū)內(nèi)8線反演電阻率斷面圖，圖中電阻率由淺至深的變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)“高～低～高～低”的變化特征，煤層附近電阻率等值線發(fā)生明顯扭曲變形，呈明顯的低阻異常特征，推斷煤層附近低阻異常為6煤采 空區(qū)積水的電性反映，圖6為6號(hào)煤層采空區(qū)分布范圍推斷成果圖，為根據(jù)每條反演電阻率斷面圖特征、參照已知地質(zhì)、鉆孔資料推斷而來。圖中有2處根據(jù)瞬變電磁推斷的采空區(qū)，驗(yàn)證結(jié)果：后期布設(shè)的驗(yàn)證鉆孔ZK2,ZK3。在推斷6煤采空區(qū)分布范圍內(nèi)，上述兩個(gè)鉆孔均打到6煤采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)部存在部分積水。

4 結(jié)語

通過將電法勘探技術(shù)應(yīng)用于煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素探查，為煤礦安全開采提供了一定的技術(shù)保障。實(shí)例證明該方法是可行的，探查效率高、探查準(zhǔn)確。