燕子山煤礦8202工作面上覆多層采空區(qū)水害勘探技術(shù)應(yīng)用

程 帥

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037037)

1 工程概況

燕子山煤礦8202工作面地面位于小蒜溝村保護(hù)煤柱以北，馬脊梁溝以西的山梁地帶，地面有少量楊樹，埋深377～512/445 m.雨季時有少量積水，地面水體、建筑物對采掘作業(yè)施工無影響。8202工作面井下位于4號層302盤區(qū)，工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度穩(wěn)定，煤層有益厚度為5.12～9.34 m，有7～9層0.12～1.18 m的夾石，工作面對應(yīng)上覆11號、14-2號、14-3號煤層采空區(qū)，結(jié)合礦區(qū)相似工作面生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工作面回采期間上覆采空區(qū)積水或?qū)⑼ㄟ^封閉質(zhì)量不佳的鉆孔涌入工作面，危險工作面的安全生產(chǎn)，為掌握上覆采空區(qū)富水情況，保障工作面的安全生產(chǎn)，擬通過井上下瞬變電磁資料解釋方法掌握上覆采空區(qū)富水情況，并設(shè)計(jì)合理的防治措施。

2 上覆采空積水位置探測可行性分析

燕子山煤礦8202工作面上覆可采煤層主要有11號、14-2號及14-3號煤層，結(jié)合以往采掘工程布置情況得知，8208工作面上覆三層煤層基本均已采空，與14-3號煤層采空區(qū)間垂直距離約為168 m，14-3號煤層厚度為1.12～3.98 m，均厚2.79 m，14-3號煤層與14-2號煤層層間距約為8 m，14-3號煤層開采將通過垮落帶裂隙帶與上覆14-2號煤層采空區(qū)聯(lián)通；14-2號煤層厚度3.65～3.89 m，均厚2.96 m，與上覆11號煤層平均層間距為25.7 m，14-2號、14-3號煤層均開采后，同樣有可能通過垮落帶和裂隙帶與上覆11號煤層采空區(qū)聯(lián)通。采空區(qū)上覆巖層破碎垮落后，巖性疏松，整體密度變小，垮落帶內(nèi)裂縫、裂隙異常發(fā)育，相對于正常地層層位存在一定程度紊亂的現(xiàn)象，局部甚至形成較小的空洞，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的電阻率上升；裂隙帶內(nèi)巖層的巖層變化不是很明顯，但其裂隙發(fā)育程度相對于原地層較高，裂隙導(dǎo)致該部分巖層的導(dǎo)電性變?nèi)?，視電阻率升高[1-2]。采空區(qū)積水一般位于最下方煤層采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)采空區(qū)垮落帶、裂隙帶內(nèi)積水時，該區(qū)域的電阻率將明顯降低，綜上可知，燕子山煤礦8202工作面上覆采空區(qū)具備良好的瞬變電磁法勘探條件。

3 探測方法及工程布置

本次勘察的主要任務(wù)是查明8202工作面上覆三組煤采空區(qū)內(nèi)積水的情況，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)研究成果[3-4]，瞬變電磁法對于高阻結(jié)構(gòu)體穿透力強(qiáng)，對于富水低阻結(jié)構(gòu)體反應(yīng)靈敏，但是當(dāng)進(jìn)行多層采空區(qū)的勘探時，地面瞬變電磁響應(yīng)在第一層采空區(qū)積水影響下將變得很微弱，對于下部第二層、第三層采空區(qū)的探測結(jié)果精確程度將有所下降，此時可通過在井下回采巷道對上覆采空區(qū)進(jìn)行探測，可避免首層采空區(qū)的低阻屏蔽效益，若想實(shí)現(xiàn)井上井下對于同一目標(biāo)層位的勘探，需要保證井上井下探測位置的統(tǒng)一性。

本次勘探井下測點(diǎn)、測線布置在8202工作面的回采巷道內(nèi)，地面測點(diǎn)根據(jù)井下測點(diǎn)至勘探對應(yīng)位置的地面投影點(diǎn)進(jìn)行布置，井下瞬變電磁勘探可以多角度進(jìn)行探測，因此地面測線沿工作面推進(jìn)方向平行布置，并向工作面兩側(cè)延伸，確保井上、井下探測的目標(biāo)層位一致。井下探測裝置在兩個巷道內(nèi)接收信號，為確保探測距離不超出儀器的極限，需對井下探測的角度進(jìn)行分析，本次所有儀器的最大探測距離為200 m，因此設(shè)計(jì)探測的角度α為-60°、-75°、0°、75°、60°，計(jì)算可知探測的最遠(yuǎn)距離為185 m，在儀器允許的探測范圍內(nèi)。為盡量避免回采巷道內(nèi)材料車、膠帶機(jī)等金屬設(shè)備對于信號的干擾，井下測點(diǎn)選擇在干擾物相對較少的巷段，回風(fēng)巷內(nèi)測點(diǎn)及測線布置在采位線600～1 000 m，運(yùn)輸巷布置在采位線1 000～1 600 m，井下瞬變電磁測點(diǎn)間距為10 m，采用多匝重疊回線采集數(shù)據(jù)，線圈采用邊長1.5 m的正方形，發(fā)射頻率為6.25 Hz，疊加30次。井上地面測點(diǎn)的間距為10 m，平行測線間的距離為20 m，采用發(fā)射線框邊長300 m的大定源回線裝置，發(fā)射頻率為25 Hz，在中部邊長三分之一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接收線圈等效接收面積100 m2，8202工作面井上下瞬變電磁測點(diǎn)、測線布置原理如圖1所示。

3.1 地面瞬變電磁法

通過對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的處理，得到上覆采空區(qū)不同層位的視電阻平面圖如圖2所示，各煤層采空區(qū)的視電阻率等值線數(shù)值為70～140 Ω·m，局部存在明顯的低阻異常區(qū)，低阻區(qū)內(nèi)視電阻率為70～90 Ω·m，低阻區(qū)的水平投影形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則型，三個煤層層位出現(xiàn)低阻異常區(qū)的位置基本一致，這三處低阻區(qū)很可能為相應(yīng)煤層采空區(qū)積水區(qū)。

圖2 各采空區(qū)層位視電阻率平面圖

3.2 井下瞬變電磁法

選取頂板垂直方向視電阻率斷面圖,如圖3所示，距巷道頂板0～45 m范圍內(nèi)視電阻率為40～100 Ω·m，頂板探測區(qū)域的中部和遠(yuǎn)處視電阻率為0～60 Ω·m，存在不同高度和形狀的低阻異常區(qū)，點(diǎn)號13號～17號之間的條帶狀低阻異常區(qū)是由于數(shù)據(jù)采集時巷道內(nèi)存在大量的鐵器干擾所致；點(diǎn)號21號～23號之間頂板存在低阻異常區(qū)是由于頂板懸掛的隔爆水袋影響所致；上覆三層煤采空區(qū)層位為160～170 m，該層位在點(diǎn)號1號～2號、22號～23號、37號～41號、49號～54號存在的低阻異常區(qū)可能由于采空區(qū)積水所導(dǎo)致。

4 瞬變電磁資料和鉆探資料聯(lián)合解釋

依據(jù)井上下瞬變電磁勘探結(jié)果，并結(jié)合上覆11號、14-2號、14-3號煤層采掘工程平面圖，可確定各煤層采空區(qū)低阻異常區(qū)與巷道的相對位置如圖4所示。上覆采空區(qū)內(nèi)共存在三個明顯的低阻異常區(qū)，JS-1處14-3號煤層已采空，且上覆14-2號、11號煤層采空區(qū)通過導(dǎo)水裂隙帶與其聯(lián)通，該區(qū)域可判定為14-3號煤層采空區(qū)積水區(qū)域；JS-2、JS-3區(qū)域14-3號煤層未進(jìn)行采掘，則可判定該區(qū)域?yàn)?4-2號煤層采空區(qū)積水區(qū)域。對上覆積水異常區(qū)進(jìn)行鉆探施工，終孔層位均為14-2號煤層，JS-1區(qū)域施工8202-2號探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水13 500 m3，JS-2區(qū)域施工8202-5號探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水15 600 m3，JS-3區(qū)域施工8202-5號探放水鉆孔，施工8202-9號探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水8 000 m3，驗(yàn)證了井上下瞬變電磁法勘探結(jié)果的真實(shí)可靠性，同時解除了工作面回采期間的充水威脅。

圖3 頂板垂直方向視電阻率變化規(guī)律

圖4 解釋成果及采掘工程示意

5 結(jié) 語

通過對燕子山煤礦8202工作面上覆煤層采空區(qū)開采、地質(zhì)條件等分析討論，確定上覆采空區(qū)積水進(jìn)行勘探的可行性，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)地面、井下瞬變電磁法聯(lián)合探測技術(shù)，地面瞬變電磁法探測多層采空區(qū)時存在首層采空區(qū)“低阻屏蔽”效應(yīng)，井下瞬變電磁法探測技術(shù)易受到井下鐵器設(shè)備干擾，通過地面、井下瞬變電磁法成果聯(lián)合解釋可成功彌補(bǔ)彼此的不足，提高探測的精度，通過實(shí)地探測確定8202工作面上覆采空內(nèi)的低阻異常區(qū)，通過施工鉆孔驗(yàn)證勘探結(jié)果并對采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，表明井上下瞬變電磁法勘探具有更高的精度，同時解除了工作面回采期間的充水威脅。