山西三元煤業(yè)4326工作面煤層頂?shù)装甯凰蕴綔y與分析

李 朋

（山西三元煤業(yè)股份有限公司）

在富水區(qū)或潛在導(dǎo)水通道的位置及其分布范圍相對(duì)于周圍煤巖層都有明顯的電性差異，含水巖層會(huì)表現(xiàn)低電阻率特性，否則會(huì)表現(xiàn)為相對(duì)高阻特性。當(dāng)存在局部異常體，如采空區(qū)、斷層、溶洞穴、裂隙帶等并充水時(shí)則表現(xiàn)為局部低阻異常區(qū)；而裂隙比較發(fā)育的斷層帶或且有一定規(guī)模的采空區(qū)不充水時(shí)則表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常區(qū)。本研究采用理論分析、現(xiàn)場原位測試（音頻電透視法）等技術(shù)，針對(duì)4326 工作面范圍內(nèi)煤層頂?shù)装迕簬r段富水性進(jìn)行探測研究，為煤礦水害防治、安全生產(chǎn)等提供科學(xué)依據(jù)［1-7］。

1 工作面概況

三元煤業(yè)現(xiàn)開采3 號(hào)煤層，平均厚度為7.3m，煤層傾角為1°～11°，為黑色塊狀或粉末狀，光亮型煤，玻璃光澤參差狀斷口，節(jié)理裂隙為黃鐵礦等充填。煤層賦存穩(wěn)定，亮煤為主，暗煤次之，半亮型煤，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層及頂?shù)装鍘r性見表1。開拓方式為立井開拓，單一水平開采，在煤礦中部沿南北方向布置膠輪、皮帶和回風(fēng)大巷。4326 回采工作面東為四采區(qū)準(zhǔn)備巷道，西為實(shí)體煤（靠近DF1 斷層）。工作面回風(fēng)順槽長2 410 m，運(yùn)輸順槽長2 270 m，切眼寬241.5 m，開采標(biāo)高為+501～+582 m。

兩順槽揭露工作面整體地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，局部煤層節(jié)理、裂隙較發(fā)育。根據(jù)4326風(fēng)運(yùn)兩巷實(shí)測標(biāo)高和煤層底板等高線分析，4326 工作面存在3 條褶曲構(gòu)造，分別距切眼292 m 向斜，距切眼1 010 m 背斜，距切眼1 290 m 背斜，未發(fā)現(xiàn)其他斷層和較大褶曲構(gòu)造，但不排除回采期間揭露隱伏地質(zhì)構(gòu)造或者受斷層影響伴生小型地質(zhì)構(gòu)造。

2 水文地質(zhì)情況

據(jù)地面調(diào)查資料，4326 工作面地表無水體。根據(jù)周邊鉆孔資料分析，該區(qū)域第四系厚度為70～144 m，基巖厚度211～317 m，加之各隔水層的作用，回采期間導(dǎo)水裂隙帶遠(yuǎn)不足以溝通上覆含水層，對(duì)本區(qū)域生產(chǎn)影響不大。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，煤層頂板K8 砂巖水距頂板約41m，回采過程中可能導(dǎo)通上覆頂板砂巖含水層和K8 砂巖含水層。頂板砂巖水單位涌水量為0.016 3 L/（s·m），滲透系數(shù)為1.810 m/d，水質(zhì)類型HCO3-Na型，富水性弱—中等，預(yù)測工作面頂板淋水量為0.5～3 m3/h。

4326 工作面底板標(biāo)高在+501～+582 m，礦井水文觀測孔實(shí)測奧灰水位在+649～+651 m，該工作面進(jìn)入帶壓區(qū)域，根據(jù)附近901 號(hào)和1101 地質(zhì)鉆孔資料，底板最大突水系數(shù)0.018 MPa/m，該段小于受構(gòu)造破壞突水系數(shù)0.06 MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)域；根據(jù)901號(hào)地質(zhì)鉆孔資料，底板砂巖含水層距3號(hào)煤層底板約7 m，根據(jù)掘進(jìn)期間富水異常區(qū)專項(xiàng)探測成果分析，K7 富水異常區(qū)均已探明，未發(fā)現(xiàn)有出水現(xiàn)象。但不排除回采過程中受采動(dòng)影響出現(xiàn)底板出水的可能，在回采過程中底板破壞裂隙帶可能導(dǎo)通下覆底板K7砂巖含水層或工作面底板下方存在的隱伏導(dǎo)水通道。

3 頂?shù)装甯凰蕴綔y方案

音頻電透視方法主要探查工作面頂?shù)装鍍?nèi)部的電性變化，對(duì)采長較大的工作面還具有探測工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的優(yōu)勢。工作面音頻透視現(xiàn)場施工在工作面一順槽進(jìn)行發(fā)射，對(duì)應(yīng)巷道進(jìn)行扇形掃描接收（圖1），達(dá)到探測工作面內(nèi)部導(dǎo)、含水構(gòu)造的目的。

本次音頻電透視的工作區(qū)域測點(diǎn)布置以切眼為起點(diǎn)，用皮尺量距，以10 m 為點(diǎn)距，在4326 運(yùn)輸順槽布置228 個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)依次為1#～228#；在4326 回風(fēng)順槽布置241 個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)依次為1#～241#。4326 工作面頂板探測共布設(shè)470 個(gè)測點(diǎn)。發(fā)射（供電）點(diǎn)距50 m，運(yùn)輸順槽46 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，回風(fēng)順槽49 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，共計(jì)95 個(gè)；接收點(diǎn)距10 m，運(yùn)輸順槽228 個(gè)接收點(diǎn)，回風(fēng)順槽241 個(gè)接收點(diǎn)，共計(jì)469 個(gè)。4326 工作面順煤層探測共布設(shè)470個(gè)測點(diǎn)。發(fā)射（供電）點(diǎn)距50 m，運(yùn)輸順槽46 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，回風(fēng)順槽49 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，共計(jì)95個(gè)；接收點(diǎn)距10 m，運(yùn)輸順槽228個(gè)接收點(diǎn)，回風(fēng)順槽241 個(gè)接收點(diǎn)，共計(jì)469 個(gè)。4326 工作面底板探測共布設(shè)470個(gè)測點(diǎn)。發(fā)射（供電）點(diǎn)距50 m，運(yùn)輸順槽46個(gè)發(fā)射點(diǎn)，回風(fēng)順槽49 個(gè)發(fā)射點(diǎn)，共計(jì)95 個(gè)；接收點(diǎn)距10 m，運(yùn)輸順槽228 個(gè)接收點(diǎn)，回風(fēng)順槽241 個(gè)接收點(diǎn)，共計(jì)469個(gè)。

工作面兩順槽均采用錨網(wǎng)支護(hù)，回風(fēng)順槽距離切眼890～900 m 頂板存在滴水現(xiàn)象，其他區(qū)域較干燥，運(yùn)輸順槽整體干燥，探測點(diǎn)附近無鐵軌、支架、綜掘機(jī)等大型金屬物體；施工期間巷道內(nèi)供電均處于閉鎖狀態(tài)，整體環(huán)境滿足探測條件要求。

音頻電透視法在采煤工作面的兩巷道間進(jìn)行，每隔10 m 布設(shè)1 個(gè)測量點(diǎn)，每50 m 布設(shè)1 個(gè)發(fā)射點(diǎn)。對(duì)應(yīng)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一個(gè)巷道的扇形對(duì)稱區(qū)間進(jìn)行觀測，以確保采面內(nèi)各單元有2 次以上覆蓋。MN 測量電極垂直巷道走向，打在堅(jiān)實(shí)的原生巖層上，以避免電極極化不穩(wěn)定現(xiàn)象。兩巷道內(nèi)探測時(shí)，供電、接收點(diǎn)位置采取了避開滴、淋水區(qū)；電極布置于巷道中部；接收電極MN 連線垂直順槽走向。井下物探施工時(shí)，回風(fēng)順槽、膠運(yùn)順槽均有排水管、供電電纜，但因物探使用低頻工作，這些因素對(duì)物探信號(hào)影響較小。

對(duì)YBT32 音頻電透視儀的穩(wěn)定性開展試驗(yàn)工作，現(xiàn)場在同一點(diǎn)位使用相同儀器，采用同一參數(shù)進(jìn)行反復(fù)觀測，計(jì)算2組采樣數(shù)據(jù)的相對(duì)均方誤差以分析儀器的穩(wěn)定性。根據(jù)以往的探測經(jīng)驗(yàn)和4326工作面情況，本次探測使用128 Hz 和16 Hz 頻率，90 V 供電。試驗(yàn)工作于工作面切眼位置開展，現(xiàn)場在運(yùn)輸順槽切眼位置布置1 道發(fā)射點(diǎn)，對(duì)向回風(fēng)順槽布置8道接收點(diǎn)，3 次采用128 Hz、90 V 電壓供電發(fā)射、接收，通過對(duì)接收到的電壓、電流值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)值變化較小，偏差在0.1～0.2，其誤差小于5%，說明儀器設(shè)備穩(wěn)定性良好。

4 探測結(jié)果分析與富水性劃定

本次音頻電透視勘探深度參照頻率域電場理論及實(shí)際勘探經(jīng)驗(yàn)，勘探采用16 Hz 和128 Hz 2 個(gè)頻率測試，分別反映探測深度40～80 m和0～40 m。在地層層位分布穩(wěn)定、巖性相對(duì)均一的情況下，電性分布穩(wěn)定，視電導(dǎo)率等值線分布均勻、變化平緩。若存在含、導(dǎo)水構(gòu)造，電性分布均勻規(guī)律被打破，反映在圖上為視電導(dǎo)率值增大，視電導(dǎo)率等值線扭曲，變形為圈閉或者呈條帶狀。

4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)建立與工作面模擬

坐標(biāo)系建立以4326 工作面運(yùn)輸順槽切眼位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿4326運(yùn)輸順槽指向巷道開口位置方向?yàn)閄軸正向，垂向運(yùn)輸順槽指向回風(fēng)順槽方向?yàn)閅軸正向（圖2）。4326工作面內(nèi)可用導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)及底板高程數(shù)據(jù)進(jìn)行工作面數(shù)值模擬及3D建模。

4.2 探測成果綜合分析

頂板16 Hz 工作頻率探測視電導(dǎo)率異常成果圖（圖3（a））顯示，該工作頻率主要反映頂板上方40～80 m 層段范圍地層地電特征，視電導(dǎo)率值較均一，未劃分異常區(qū)，認(rèn)為煤層頂板40～80 m 層段內(nèi)砂巖含水層富水性很弱。128 Hz 工作頻率主要反映頂板上方0～40 m 層段范圍地層地電特征，電導(dǎo)率值較均一（圖3（b）），認(rèn)為煤層頂板0～40 m 層段內(nèi)砂巖含水層富水性很弱。

順煤層探測視電導(dǎo)率異常成果圖（圖4）顯示，整體視電導(dǎo)率值較均一，因此未劃分異常區(qū)，綜合分析工作面內(nèi)富水性很弱。

底板16 Hz 工作頻率探測視電導(dǎo)率異常成果見圖5（a），該工作頻率主要反映底板下方-40～-80 m 層段范圍地層地電特征，共圈定2 處高視電導(dǎo)率異常（編號(hào)為YC1、YC3）。128 Hz 工作頻率主要反映底板下方0～-40 m層段范圍地層地電特征（圖5（b）），分析共圈定3 處高視電導(dǎo)率異常（編號(hào)為YC1～YC3）。YC1 異常區(qū)橫向距切眼150～400 m 處，呈條狀分布，影響面積約60 000 m2，該區(qū)域位于向斜軸部區(qū)域，綜合分析認(rèn)為該異常為向斜軸部底板砂巖含水層和灰?guī)r含水層局部富水所致，影響程度較大。YC2異常區(qū)橫向距切眼550～930 m 處，呈條狀分布，影響面積約48 000 m2，分析可能為底板K7 砂巖含水層局部富水所致，影響程度較小；YC3異常區(qū)靠近回風(fēng)順槽，橫向距切眼1 370～1 650 m 處，呈條狀分布，影響面積約16 700 m2，該區(qū)域位于向斜軸部附近，綜合分析認(rèn)為該異常為受向斜影響底板砂巖含水層和灰?guī)r含水層局部富水所致，影響程度較大。

5 結(jié)論

（1）本次物探工作使用音頻電透視技術(shù)探測了4326 工作面頂?shù)装?～80 m 方向范圍內(nèi)的異常分布特征，運(yùn)輸順槽探測長度2 268 m，回風(fēng)順槽探測長度2 400 m；通過數(shù)據(jù)處理分析解釋，在工作面頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)圈定3處視電導(dǎo)率異常區(qū)域（YC1～YC3），YC1和YC3異常區(qū)分布在向斜軸部區(qū)域附近，發(fā)育深度位于煤層底板0～-80 m 范圍，綜合分析為受向斜軸部影響煤層底板砂巖和灰?guī)r含水層局部富水所致，YC2 異常區(qū)發(fā)育深度位于煤層底板0～-40 m 范圍，分析可能為底板K7砂巖含水層局部富水所致。

（2）由于井下電法探測深度的限制，實(shí)際上成果資料反映的水文地質(zhì)信息僅局限于一定深度（或高度）范圍內(nèi)地層的水文條件，而礦井涌水的變化不僅受井下電法涉及區(qū)域地層的水文地質(zhì)條件，還與測區(qū)外的含水構(gòu)造的發(fā)育、連通情況、補(bǔ)給源、水頭壓力及煤層厚度、采煤方法、回采速度等諸多因素相關(guān)。隨著上述因素的不同變化，涌水量、涌水位置、時(shí)間也會(huì)在一定程度上變化。