陷落柱構(gòu)造影響工作面瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

吉繼有

（山西省忻州市神達(dá)能源集團(tuán)有限公司，山西 忻州 034000）

1 概 況

李村煤礦1306 工作面煤層厚度4.81～5.46 m，平均5.0 m。1306 工作面開采3 號(hào)煤，采用一次采全高工藝；工作面共布置2 條巷道，其中1306 進(jìn)風(fēng)巷為進(jìn)風(fēng)、主運(yùn)輸巷，1306 回風(fēng)巷為回風(fēng)巷。1306 工作面總體地勢(shì)西南高東北低，總體呈一單斜構(gòu)造，傾向209°～252°，傾角0～7°。1306 進(jìn)風(fēng)巷預(yù)計(jì)掘進(jìn)至距離切眼以東535 m處遇一個(gè)三維地震資料解釋的小型陷落柱（D194），預(yù)計(jì)大小為10 m×18 m；預(yù)計(jì)掘進(jìn)至距離切眼以東380 m 處遇一個(gè)三維地震資料解釋的大型陷落柱（CX1），預(yù)計(jì)大小為112 m×58 m。1306 回風(fēng)巷預(yù)計(jì)掘進(jìn)至距離切眼以東445 m 處遇一個(gè)三維地震資料解釋的陷落柱（D-196），預(yù)計(jì)大小為50 m×39 m。1306 工作面布置及陷落柱預(yù)計(jì)分布情況如圖1 所示。

圖1 工作面平面布置Fig.1 Plane layout of working face

2 工作面水文地質(zhì)條件分析

李村煤礦1306 工作面煤層頂板直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層，該含水層賦水性一般較弱，富水性分布不均，補(bǔ)給性差，可能通過頂板裂隙通道和斷層構(gòu)造等途徑導(dǎo)入工作面，對(duì)工作面影響主要表現(xiàn)為頂板淋滴水和發(fā)潮，涌水量在1～3 m3/h，易于防治，在斷層、陷落柱構(gòu)造附近，涌水量可能增大，因此山西組砂巖含水層對(duì)1306 工作面回采影響較小。

底板水害主要來源于底板奧灰水，礦井全井田承壓開采，1306 工作面3 號(hào)煤底板隔水層厚度為84～118 m，平均隔水層厚度100 m，帶壓值為0.86～3.44 MPa，突水系數(shù)為0.009～0.034 MPa/m，雖小于底板受構(gòu)造破壞地段突水系數(shù)0.06 MPa/m，但是工作面范圍內(nèi)存在多個(gè)陷落柱構(gòu)造，且在巷道掘進(jìn)過程中揭露陷落柱期間，涌水量出現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，因此為保證工作面的安全高效生產(chǎn)，有必要進(jìn)行陷落柱富水情況的探查及治理。

3 陷落柱富水情況瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)

斷層、陷落柱等構(gòu)造的存在會(huì)增大巷道掘進(jìn)期間及工作面回采期間底板的突水危險(xiǎn)性，陷落柱引起煤層內(nèi)異常富水形式如圖2（a） 所示，因此在巷道掘進(jìn)工作面及回采工作面通過構(gòu)造影響區(qū)域時(shí)，需要探明周邊圍巖的富水情況并采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

圖2 陷落柱富水探測(cè)原理示意圖Fig.2 Detection principle of water abundance of collapse column

礦井瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)是在地面瞬變電磁法的基礎(chǔ)上，通過多次連續(xù)探測(cè)得到多個(gè)瞬變電磁響應(yīng)結(jié)果，綜合分析電磁響應(yīng)特征進(jìn)行富水異常體的定位。巷道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，進(jìn)行礦井瞬變電磁探測(cè)時(shí)存在諸多的型號(hào)干擾因素，如U 型鋼、風(fēng)筒等金屬構(gòu)件，影響異常解釋，易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)、誤判等問題，瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)通過在不同掘進(jìn)位置進(jìn)行超前探測(cè)，數(shù)次探測(cè)到的異常體位置會(huì)發(fā)生改變，電磁響應(yīng)特征在橫向方向上分別率較明顯，因此對(duì)于角度的變化比較靈敏，根據(jù)異常體相對(duì)位置的變化可更加準(zhǔn)確的確定異常體的位置，原理如圖2（b）所示。

4 瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 1306 進(jìn)風(fēng)巷超前監(jiān)測(cè)

此次掘進(jìn)巷道超前監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位于李村煤礦1306 進(jìn)風(fēng)巷，采掘活動(dòng)即將掘進(jìn)至DX8 號(hào)陷落柱附近，并將揭露D-194 號(hào)陷落柱，但陷落柱富水情況不明，需查明1306 進(jìn)風(fēng)巷-520 m 前方580 m范圍內(nèi)煤層富水情況，確定異常含水區(qū)域的大致方位，為疏放鉆孔的設(shè)計(jì)提供參考。

采用瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行陷落柱富水情況的探查，YCS360A 礦用多通道瞬變電磁儀成套探測(cè)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖3（a） 所示。在不同的位置進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，位置的選擇對(duì)于探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要，測(cè)點(diǎn)最好位于目標(biāo)的左右兩側(cè)，這樣有利于對(duì)目標(biāo)異常區(qū)的定位的準(zhǔn)確度。此次探測(cè)共選擇2 個(gè)探測(cè)位置，分別為1306 進(jìn)風(fēng)巷-505 m 和-525 m，2 個(gè)測(cè)站位置間距離為25 m，均采用扇形觀測(cè)方式，每次探測(cè)設(shè)置11 個(gè)探測(cè)方位，探測(cè)角度為巷道軸線兩側(cè)各60°，探測(cè)范圍為120 m，探測(cè)方式如圖3（b） 所示。

圖3 掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)方案Fig.3 Advanced detection scheme of heading face in excavating

對(duì)1306 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到視電阻率剖面圖，如圖4 所示。位置1探測(cè)結(jié)果如圖4（a） 所示，探測(cè)范圍內(nèi)共出現(xiàn)3處較為明顯的低阻異常區(qū)域，其中巷道掘進(jìn)迎頭正前方的2 個(gè)低阻異常區(qū)分布范圍小、視電阻率降幅較小，綜合分析后確定需重點(diǎn)關(guān)注的YCA 低阻區(qū)域，該區(qū)域在X 方向分布范圍為25～55 m，在Y方向分布范圍為20～50 m，與DX8 號(hào)陷落預(yù)測(cè)結(jié)果相近，推斷該區(qū)域具有一定的富水性；位置2 探測(cè)結(jié)果如圖4（b） 所示，探測(cè)出的YCB 富水異常區(qū)與位置1 測(cè)得的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了該陷落柱的富水性，并更好的確定該富水區(qū)域的方位。

圖4 掘進(jìn)迎頭超前探測(cè)結(jié)果Fig.4 Advanced detection results of heading face in excavating

共設(shè)計(jì)6 個(gè)鉆孔對(duì)該區(qū)域進(jìn)行疏放，通過3 d共疏放約2 800 m3，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果基本與實(shí)際情況相符。

4.2 陷落柱疏放水監(jiān)測(cè)

1306 工作面開采期間會(huì)引起陷落柱進(jìn)一步活化，陷落柱內(nèi)部及周邊圍巖裂隙是良好的導(dǎo)水通道，存在一定的富水性可能，且存在導(dǎo)通下部奧灰承壓含水層的可能，為確保工作面回采安全，需對(duì)工作面范圍內(nèi)的陷落柱展開探查、治理、監(jiān)測(cè)工作，因此采用瞬變電磁法進(jìn)行1306 工作面陷落柱富水情況的監(jiān)測(cè)。

以1306 進(jìn)風(fēng)巷揭露的CX1 陷落柱為例，在回風(fēng)巷內(nèi)向?qū)嶓w煤壁內(nèi)探測(cè)，50 m 陷落柱區(qū)域加密測(cè)點(diǎn)布置，測(cè)點(diǎn)間距5 m，其余部分測(cè)點(diǎn)間距10 m，共布置150 m 測(cè)線，分別進(jìn)行順層方向和頂板15°方向探查，根據(jù)探測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)鉆孔對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行疏放，疏放后再次進(jìn)行探測(cè)，疏水前后電阻率剖面圖如圖5 所示。

圖5 1306 進(jìn)風(fēng)巷側(cè)CX1 陷落柱附近探測(cè)結(jié)果Fig.5 Detection results near the CX1 collapse column on the side of No.1306 air intake roadway

綜合分析可知，初次探測(cè)時(shí)，CX1 陷落柱順層方向和頂板15°方向均存在3 個(gè)明顯的低阻區(qū)域，命名為YC1、YC2、YC3，2 個(gè)探測(cè)方向的3 個(gè)異常區(qū)相對(duì)應(yīng)，可判定此陷落柱區(qū)域存在一定的富水性，由此設(shè)計(jì)鉆孔進(jìn)行疏放。根據(jù)疏放后電阻率剖面圖可以看出，疏放后也存在3 處明顯的低阻異常區(qū)，分別明顯為YC4、YC5、YC6，與疏放前的3個(gè)異常區(qū)一一對(duì)應(yīng)，異常區(qū)的分布范圍較疏放前明顯減小，低阻阻值也明顯降低，說明打鉆疏放水效果較好，異常富水區(qū)的富水性得到顯著降低。在工作面后續(xù)生產(chǎn)期間，應(yīng)定期進(jìn)行陷落柱富水情況的探查、監(jiān)測(cè)，對(duì)于出現(xiàn)異常變化的富水區(qū)域，采取鉆孔疏放、注漿等治理措施，可保證工作面的生產(chǎn)安全。

5 結(jié) 語

以李村煤礦1306 綜采工作面為工程背景，應(yīng)用礦井瞬變電磁法進(jìn)行回采巷道掘進(jìn)及工作面開采期間陷落柱構(gòu)造附近富水情況的探測(cè)，根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用表明瞬變電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)主要具有兩大作用：一是該技術(shù)可對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)圈定異常富水區(qū)域的可信度及范圍進(jìn)行驗(yàn)證，并且可使圈定異常區(qū)的位置、范圍判斷更加精確，為異常富水區(qū)的鉆探驗(yàn)證、治理提供指導(dǎo)；二是可采用該技術(shù)對(duì)疏放水、注漿加固治理區(qū)域的富水情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證治理的效果，為工作面的安全生產(chǎn)提供支撐。瞬變電磁法監(jiān)測(cè)技術(shù)具有可行性，可在相似地質(zhì)條件下礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用。