孫長(zhǎng)禮，王經(jīng)明

(1.華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)在預(yù)防祁東煤礦7130工作面頂板突水中的應(yīng)用

孫長(zhǎng)禮1，王經(jīng)明2

(1.華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

水源為“四含”的頂板水是祁東煤礦7130工作面安全生產(chǎn)的最大危險(xiǎn)源。煤礦開采會(huì)形成頂板巖層破裂帶，其電性會(huì)發(fā)生顯著的變化，通過監(jiān)測(cè)電阻、激勵(lì)電流和自然電位的的變化，發(fā)現(xiàn)其與頂板出水水量和老塘水涌水量之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過祁東煤礦地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明，頂板水害是可以超前預(yù)測(cè)的，其中自然電位的超前預(yù)警量最高達(dá)25天，最低為5天，激勵(lì)電流的超前預(yù)警量最高達(dá)26天，最低為2天。這種預(yù)測(cè)方法對(duì)其他受頂板水害威脅的煤礦預(yù)防頂板水害具有借鑒作用。

頂板水害；水文地質(zhì)效應(yīng)；電性效應(yīng)；水害預(yù)警

0 引言

頂板水害是威脅祁東煤礦安全生產(chǎn)最大的危險(xiǎn)源，2009年祁東煤礦第Ⅱ塊段發(fā)生頂板涌水壓架現(xiàn)象，5月3日工作面推進(jìn)到150 m時(shí)工作面異常來壓，隨機(jī)發(fā)生了水量達(dá)91 m3/h，水源 “四含”的突水，又于6月7日和6月29日又分別出現(xiàn)了兩次頂板異常來壓，并發(fā)生水量為260 m3/h和850 m3/h突水，給生產(chǎn)安全造成了很大威脅。

在祁東煤礦7130工作面所做的地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，自然電位的超前預(yù)警最高可達(dá)10天，激勵(lì)電流的最低超前預(yù)警量也有兩天，這對(duì)本礦的頂板水害預(yù)防具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)其他條件類似煤礦的頂板水害預(yù)警也有很大的借鑒意義。

對(duì)于煤礦頂板水害，很多學(xué)者進(jìn)行了研究[1-3]，包括導(dǎo)水裂隙帶的形成規(guī)律[4-5]，頂板離層水的成因和頂板水害的預(yù)防措施[6-7]。而對(duì)頂板水害的前兆、成因以及預(yù)警技術(shù)的研究尚少，因此開展頂板水害預(yù)警指標(biāo)及其預(yù)警技術(shù)研究也具有很大的理論意義。

1 頂板水地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)原理

在煤層開采過程中，采空區(qū)頂板巖層因垮落將形成“三帶”[8]和超前破裂帶[9]。由于破碎的巖層具有很強(qiáng)的導(dǎo)水能力，因此巖層的電性也會(huì)發(fā)生顯著變化。通過開采前的電法背景測(cè)試，可得到頂板未破壞時(shí)的電阻率圖像；在開采期間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可得到頂板電阻率的連續(xù)變化圖像。通過不同階段的電阻率變化情況，可分析頂板破壞規(guī)律。若破壞帶內(nèi)不含水，則破壞帶的電阻率值會(huì)升高，升高的幅度越大，則破壞越嚴(yán)重；若電阻率值沒有明顯變化區(qū)域，即為未破壞區(qū)；若破壞帶內(nèi)充水，則該破壞帶內(nèi)的電阻率值會(huì)明顯降低。通過地電場(chǎng)異常(自然電位、激勵(lì)電流等)，必然反演地下水的滲流過程，從而達(dá)到對(duì)于頂板水害的預(yù)警。

2 祁東煤礦7130工作面地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 祁東煤礦7130工作面概況

祁東煤礦位于淮北煤田宿南盆地，屬于隱伏式礦區(qū)。上覆沖積層厚度388.1～441 m，共有四個(gè)含水層，其中底含對(duì)礦井生產(chǎn)具有威脅。基巖含水層有煤層頂板含水層，底板太灰含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。太灰含水層和沖積層底含的水位動(dòng)態(tài)變化一致，水力聯(lián)系明顯。煤層頂板砂巖含水層對(duì)生產(chǎn)有直接影響。7130工作面位于井田東翼一水平三采區(qū)，風(fēng)巷靠近“四含”防水煤柱。

工作面起止標(biāo)高-375～-417 m，平均走向長(zhǎng)1663 m，傾向?qū)?9～152 m，如圖1所示。工作面傾向355°～35°,傾角11°～14°, 煤層產(chǎn)狀變化較大，煤層最大厚度為4.1 m，最小煤厚2.9 m，平均厚度3.41 m，綜合評(píng)定為穩(wěn)定煤層。

圖1 7130工作面布置與工程概況圖

2.2 工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置情況

在工作面設(shè)立了2監(jiān)測(cè)站，風(fēng)巷Ⅱ段設(shè)立1站、Ⅲ段設(shè)立1站。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖見圖2所示。7130工作面沿推進(jìn)方向共分為3個(gè)塊段，其中第Ⅰ塊段為F7斷層以東區(qū)域，其四含賦水性最弱，預(yù)計(jì)其最大涌水量約9 m3/h；第Ⅱ塊段為F7斷層以西至第29線之間，其四含賦水性相對(duì)較強(qiáng)，預(yù)計(jì)其最大涌水量約51 m3/h。第Ⅲ塊段為第29線至27～28線之間，其四含含水層賦水性強(qiáng)，采用大井法預(yù)計(jì)，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶直接波及四含時(shí)，其最大涌水量約253 m3/h。工作面現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)鉆孔布置示意圖如圖3所示。

2.3 塊段Ⅰ監(jiān)測(cè)結(jié)果

7130工作面Ⅰ塊段頂板裂帶的電阻率分布如圖4所示，隨著工作面的推進(jìn)，電阻率變化以高阻區(qū)域(≥500 Ω·m)變化為主，并未出現(xiàn)相對(duì)較低阻區(qū)域。從高阻區(qū)域發(fā)展變化情況來看，距工作面25 m處電阻高達(dá)10000 Ω·m以上，距工作面35 m之后電阻逐漸下降，最低僅有40 Ω·m左右，到10月27號(hào)，電阻已經(jīng)和25 m處幾乎沒有差別，然后電阻稍微下降，但總體處于高阻狀態(tài)，最后形成大片高阻區(qū)域。同時(shí)鉆孔中電極的激勵(lì)電流也沒有出現(xiàn)顯著的變化，表明在鉆孔控制區(qū)域中并未有滲流水經(jīng)過。因此電阻的變化是由于開采造成覆巖破壞，形成大量裂隙，造成電阻的升高。

圖2 7130工作面巷道鉆孔地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置與原理示意圖

圖3 7130工作面現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)鉆孔布置示意圖

7130工作面Ⅰ頂板“四含”厚度較薄(0～7.92 m)，而且?guī)r性為砂及粘土質(zhì)砂，顆粒細(xì)，而且在回采過程中未出現(xiàn)工作面出水現(xiàn)象。因此在第Ⅰ塊段中布置的各個(gè)地球物理場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果為開采破壞引起的覆巖破壞的響應(yīng)。

2.4 7130工作面Ⅱ塊段地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

2.4.1 激勵(lì)電流與出水量相關(guān)變化關(guān)系

激勵(lì)電流與出水量相關(guān)變化關(guān)系如圖5所示。激勵(lì)電流在出現(xiàn)升高趨勢(shì)以后，工作面出水量在隨后的2～3天(約超前12～18 m)以內(nèi)增加，激勵(lì)電流減小時(shí)候，工作面出水量也略有減少。因?yàn)殂@孔電極布置在工作面頂板上，當(dāng)頂板水經(jīng)過鉆孔電極時(shí)候，鉆孔電極的激勵(lì)電流增加，但此時(shí)頂板滲流水尚未進(jìn)入工作面，因此在未來的2～3天內(nèi)工作面水量會(huì)出現(xiàn)較大的增幅。激勵(lì)電流超前預(yù)測(cè)信息表如表1所示。

圖4 7130工作面Ⅰ塊段裂高探測(cè)電阻率分布圖

圖5 7130工作面Ⅱ塊段激勵(lì)電流相關(guān)出水量圖

激勵(lì)電流峰值時(shí)間出水量峰值時(shí)間超前預(yù)警天數(shù)2009-6-52009-6-722009-6-62009-6-1042009-6-72009-6-1142009-6-82009-6-1242009-6-132009-6-163

2.4.2 自然電位與老塘涌水量的關(guān)系

自然電位與老塘涌水量的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)自然電位出現(xiàn)升高趨勢(shì)，在隨后的幾天中工作面出水量增加；自然電位降低，工作面出水量有所減小。這表明自然電位能夠超前預(yù)測(cè)老塘涌水量的變化，當(dāng)自然電位升高時(shí)，要警惕是否會(huì)發(fā)生老塘涌水，可以提前探水以保證煤礦安全生產(chǎn)。通過對(duì)Ⅱ塊段鉆場(chǎng)監(jiān)測(cè)的兩種滲流場(chǎng)地球物理參數(shù)的判斷分析，激勵(lì)電流的變化敏感強(qiáng)度較大，激勵(lì)電流的分布曲線提前預(yù)測(cè)出了老塘水量的變化趨勢(shì)；綜合分析自然電位的變化可能代表了未來7～8天(約40～45 m)內(nèi)的出水量的變化。預(yù)測(cè)信息表如表2所示。

2.5 7130工作面Ⅲ塊段滲流地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)

由于7130工作面Ⅲ階段的監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)位于開切眼后方230多米處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出監(jiān)測(cè)鉆孔的有效控制范圍，因此在巷道中補(bǔ)充布置了電極，嘗試進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)控制距離的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。在監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)時(shí)間段中，超前監(jiān)控的范圍中并未出現(xiàn)較大的保持一定形態(tài)的低阻區(qū)域，大都為局部低阻區(qū)域分化演變，此刻的工作面出水量表現(xiàn)特征比較穩(wěn)定。

圖6 自然電位與老塘涌水量對(duì)應(yīng)變化關(guān)系

本塊段的自然電位和激勵(lì)電流的超前變化情況是通過聯(lián)系附近的四含水位觀測(cè)孔的水位升降情況和自然電位、激勵(lì)電流的變化情況對(duì)工作面水量進(jìn)行初步定量預(yù)測(cè)分析。

監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示，自然電位和涌水量不同步但一致的變化關(guān)系，第一期變化，即8月4日至8月12日自然電位連續(xù)8日上升，上升率為Sv=3.99 mV/h，導(dǎo)致8月29日至9月1日頂板涌水量Q=53 m3/h的大幅提高。

圖7 7130工作面Ⅲ階段頂板水監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)自然電位與水量相關(guān)結(jié)果

預(yù)測(cè)信息表如表3所示。從表3可以看出，自然電位峰值時(shí)間和激勵(lì)電流峰值時(shí)間僅僅有一天的時(shí)間間隔，兩者的超前預(yù)報(bào)天數(shù)都很長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)20多天。表3顯示的規(guī)律與圖7相一致。

表3 7130工作面Ⅲ塊段自然電位電流

3 結(jié)論

對(duì)安徽祁東煤礦煤層頂板水害形成的前兆的地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)和前兆的成因研究得出如下結(jié)論：

(1) 激勵(lì)電流的變化預(yù)示著頂板涌水量的變化，超前量約2～3日(12～18 m)，激勵(lì)電流變大預(yù)示著頂板涌水量變大，反之亦然。因此激勵(lì)電流的大小是頂板水害預(yù)警的重要指標(biāo)。

(2) 自然電位的變化預(yù)示著頂板涌水量的變化，最大超前量約7～8日(約40～45 m)，自然電位變大預(yù)示著頂板涌水量變大，反之亦然。因此自然電位的大小是頂板水害預(yù)警的重要指標(biāo)。

(3) 預(yù)警指標(biāo)的成因研究認(rèn)為頂板的超前破裂將導(dǎo)致裂隙帶充水，造成激勵(lì)電流和自然電位升高。

(4) 在祁東煤礦7130工作面監(jiān)測(cè)資料表明，當(dāng)監(jiān)測(cè)鉆孔偏向工作面面內(nèi)時(shí)候，工作面在進(jìn)入監(jiān)測(cè)鉆孔控制區(qū)域期間，自然電位、激勵(lì)電流和電阻率與工作面出水量均呈正比關(guān)系。監(jiān)測(cè)結(jié)果很好的預(yù)防了該工作面頂板水害的發(fā)生，使煤礦得以安全生產(chǎn)。

通過對(duì)7130工作面地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的總結(jié)，可以看到，對(duì)煤礦頂板水害的超前預(yù)測(cè)是可能的，這對(duì)預(yù)防煤礦頂板水害具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)其他煤礦預(yù)防頂板水害也有著巨大的借鑒意義。

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Application of ground electric field monitoring in prevention of roof water inrush in 7130 working face of Qidong coal mine

SUN Chang-li1, WANG Jing-ming2

(1.GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China;2.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

Roof water source for the "four-containing" is the the largest sources of danger that threat 7130 Face in Qidong Coal Mine’s Safety Production. Mining will form the the rupture zones of roof strata, it’s electrical properties will change significant. By monitoring the changes of resistance, excitation current and natural potential, we found that there is a certain corresponding relation between the roof water inrush quantity and goaf water inflow. Through the monitoring tests in Qidong Coal Mine, it shows that the roof water damage is can be predicted,the amount of advance warning of natural potential is up to 25 days, a minimum of 5 days and the exciting current is up 26 days, a minimum of two days. This prediction method can be referenced to other coal mine to prevent roof water flood threats.

Roof water damage; Hydrogeological effects; Electric effects; Water hazard warning

2015-12-13

孫長(zhǎng)禮(1990-)，男，山東德州人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦井水災(zāi)與地質(zhì)災(zāi)害安全技術(shù)。E-mail：1170051321@qq.com

TD745+.2

A

1672-7169(2016)01-0039-06