黎 靈

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

礦井水害是我國礦井主要災(zāi)害之一，水害事故起數(shù)及死亡人數(shù)占全國煤礦事故死亡起數(shù)及死亡人數(shù)比例大。據(jù)初步統(tǒng)計，從2005年至2016年，我國煤礦水害事故起數(shù)達545起，死亡人數(shù)達2503人，在煤礦水害事故中采空區(qū)突水災(zāi)害占事故的比例較大，且多為重大及特大事故，死亡人數(shù)多，為主要礦井水害類型。

采空區(qū)突水事故發(fā)生主要原因有：一是資源整合礦井對老舊采空區(qū)積水情況未開展有效的探查，潛藏隱患；二是私挖亂采小型礦井采空區(qū)采掘邊界不詳；三是采空區(qū)積水來源較復(fù)雜，水源與通道未能得到有效掌握。

面對第3種采空區(qū)水害隱患，補給水源與通道是主要影響因素，快速準確地判別補給水源及補給通道是開展該類型采空區(qū)水害防治和確保安全生產(chǎn)的前提和保障[1-3]。采空區(qū)范圍及積水情況主要通過鉆探、物探手段探測，水位動態(tài)判別法、水質(zhì)分析等方法可作為突水水源判定的重要技術(shù)手段[4-6]，瞬變電磁法因具有對低阻含水體反應(yīng)靈敏、縱橫向分辨率高、受體積效應(yīng)影響小、工作效率高等特點被廣泛應(yīng)用[7-9]。

1 工程背景

龜茲西井目前西井回采在A6煤層，含煤5層，分別為A6，A5，A5輔助，A2，A1煤層，平均煤厚分別為3.02m，6.5m，5.65m，2.10m，1.08m，煤層傾角3°～25°。井田北部為原墩闊坦煤礦西井，2007年7月因巷道頂板出水，排水能力不足，礦井被淹后已關(guān)閉，該礦井原主采A5輔助煤層，煤層開采厚度6.0m，采煤方法為倉儲式開采，該礦在傾向上向南部龜茲西井越界接近130m，回采區(qū)域和面積不詳，采空區(qū)積水情況不詳。

2 采空區(qū)積水預(yù)計及疏放

2.1 采空區(qū)積水探測

為了查明采空區(qū)積水范圍，采用瞬變電磁法對龜茲西井北部原墩闊坦煤礦西井采空區(qū)進行勘查。瞬變電磁法也稱時間域電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法，瞬變電磁法對于探測采空區(qū)積水效果良好，應(yīng)用廣泛[10-12]。

本次共布置7條瞬變電磁測線，測線沿著東西向布置，線距40m，點距20m，共布置251個測點，測線、測點編號及布置如圖1所示。

以3號測線為例分析采空區(qū)積水探測結(jié)果，如圖2所示，橫坐標表示測點距測線零點的距離，縱向坐標為探測深度，A5輔助煤層埋深示意位置均采用灰色實線標示，3號測線橫跨已形成的A5煤層老采空區(qū)，區(qū)域整體上呈明顯的低阻異常(以虛線框圈定)，采空區(qū)范圍以外阻值有所提升。為此，推斷A5輔助煤層老采空區(qū)存在大量積水。根據(jù)7條測線勘探解釋成果，物探區(qū)域老采空區(qū)存在較大范圍積水，積水面積約為53435m2，見圖1。

圖1 物探測線布置及探測成果

圖2 3號測線視電阻率斷面

2.2 采空區(qū)積水量預(yù)計

原墩闊坦西井沿煤層平均厚度6.0m，倉儲式開采，煤炭資源采出率較低，約40%～50%。根據(jù)采空區(qū)物探成果，采空積水區(qū)面積約為53435m2。由此，可估算采空區(qū)靜儲量：

w靜=K·M·F·C

式中，w靜為老空積水的靜儲量，m3；K為老空的充水系數(shù)，煤巷充水系數(shù)一般取0.5～0.8，在本次計算中取值0.8；M為采空區(qū)的平均采高或煤厚，取6.0m；F為采空積水區(qū)的水平投影面積，取53435m2；C為倉儲式采出率，取50%。

根據(jù)公式計算得出北部原墩闊坦西井越界采空區(qū)積水量約為128244m3。掌握采空區(qū)積水范圍及積水量后，礦井施工了10個疏放水鉆孔進行采空區(qū)積水疏放，編號分別為ZK1-ZK10，僅ZK4，ZK9，ZK10共3個鉆孔進入采空積水區(qū)，其余鉆孔進入煤柱，疏放20d后，3個疏放鉆孔累計疏放水量約9.6×104m3，約占預(yù)計總采空區(qū)靜儲量75%，采空區(qū)水壓穩(wěn)定保持在0.3MPa，水壓未能明顯下降。由此判定，采空區(qū)不僅存在大量積水，且存在穩(wěn)定的補給水源。

3 采空區(qū)積水補給分析

3.1 采空區(qū)補給源分析

地下水的化學特征是圍巖礦物和水流之間內(nèi)在關(guān)系所形成的結(jié)果，地下水的化學特征決定于地下水運動時接觸的圍巖成分，循環(huán)的水文地質(zhì)條件和氧化還原環(huán)境等。一般情況下，處于不同地質(zhì)、水文地質(zhì)條件中的地下水，其化學成分在含量和構(gòu)成上都有差別，這就為判斷突水水源提供了依據(jù)。

采取庫車河水樣、第四系松散含水層水樣、煤層頂板侏羅系含水層水樣、老空區(qū)水樣分別進行水質(zhì)化驗，并應(yīng)用元素類比法結(jié)合水化學piper三線圖及Schoeller圖對各水源典型水樣進行綜合分析，判斷采空區(qū)積水補給水源。水樣化驗成果見表1，水樣水化學特征分析成果如圖3所示。

表1 水樣水化學特征及類型

圖3 水樣水化學特征分析成果

(1)從圖3及表1可以看出地表水和第四系水質(zhì)特征曲線中各水樣的離子濃度曲線變化特征比較類似，兩者的水化學類型均以HCO3—Ca(Mg)為主。

老空區(qū)水的水質(zhì)中離子含量與其他水源的有明顯區(qū)別，但是其水化學特征變化曲線與其他水源有類似性，尤其老空區(qū)水陽離子曲線變化特征與庫車河及第四系水質(zhì)陽離子曲線變化特征很相像。分析認為：老空區(qū)水受到了大量庫車河及第四系水源的補充，庫車河河水對老空區(qū)水可能存在持續(xù)的直接補給。

3.2 采空區(qū)補給通道分析

3.2.1 水力滲透補給水文地質(zhì)模型分析

井田位于庫車河西岸，礦井東界為庫車河，井田東部僅有少部分屬于庫車河河漫灘及一級階地，地形較為平坦，高程約+1788.40m，其余大部分為山地，地形西高東低，沖溝發(fā)育，海拔高程在+1780.10m至+1949.20m之間。根據(jù)覆巖分布特征及水文地質(zhì)條件建立水文地質(zhì)模型能分析含水層及水體滲流補給關(guān)系，有利于判斷采空區(qū)積水補給原理[13-14]。

第四系全新統(tǒng)沖洪積層分布于礦區(qū)北部沖溝和東側(cè)庫車河河漫灘、階地，直接覆蓋在下侏羅統(tǒng)塔里奇克組含煤地層之上，其巖性主要由礫石、砂、碎石、亞砂土崩積物等組成。庫車河河漫灘基巖裸露，風化作用強烈，巖石風化后顆粒間的聯(lián)接被削弱，巖石內(nèi)部的孔隙和裂隙增大，風化裂隙普遍發(fā)育，地表第四系多以砂礫石為主，這些均為地下水的富存和運移提供了空間和通道。根據(jù)井田水文地質(zhì)特征、地質(zhì)特征、地形特征，以庫車河河漫灘周

邊A5輔助煤層采空區(qū)及地層為對象建立河水水力滲透水文地質(zhì)模型，如圖4所示。

圖4 河水水力滲透水文地質(zhì)模型

由圖4可以看出，原墩闊坦煤礦西井A5輔助煤層采空區(qū)開采后，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至頂板粗粒砂巖層，由于庫車河周邊該粗粒砂巖含水層裸露，在強風化作用下形成風化裂隙帶，連通導(dǎo)水裂隙帶后形成水力通道，致使庫車河河水對老空區(qū)形成側(cè)向直接補給。

3.2.2 水力滲透補給物探勘查分析

分析井田東北部區(qū)域采空區(qū)地面瞬變電磁勘探成果發(fā)現(xiàn)，5號測線西部為采空區(qū)低阻反應(yīng)，中部為無積水采空區(qū)高阻反應(yīng)，測線東部600～700m區(qū)域存在低阻反應(yīng)，測線東部低阻區(qū)位于原墩闊坦煤礦西井主斜井下方的水倉位置附近的A5輔助煤層頂板中，對應(yīng)地表位于庫車河西岸，走訪原墩闊坦煤礦西井原有工程技術(shù)人員得知該礦井在主斜井開拓至A5輔助煤層頂板時曾發(fā)生出水，該低阻反應(yīng)區(qū)域與調(diào)查得知的原墩闊坦煤礦西井出水點位置一致，推斷該低阻反應(yīng)為采空區(qū)水源補給水力通道，如圖5所示。

圖5 瞬變電磁5號測線電阻率斷面

結(jié)合以上物探、鉆探及化探綜合手段分析，采空區(qū)積水受庫車河河水直接補給，補給通道由開采形成的導(dǎo)水裂縫帶溝通庫車河西岸松散砂礫層及粗砂巖含水層風化裂隙帶形成。在確定采空區(qū)積水補給水源、補給通道后，采用地面鉆孔對補給通道進行了帷幕注漿，封堵采空區(qū)積水補給通道后，井下疏放鉆孔短時間順利疏干采空區(qū)積水，消除了采空區(qū)水害隱患。

4 結(jié) 論

(1)當采空積水區(qū)存在不明補給水源時，通過水化學元素類比法、piper三線圖及Schoeller圖進行綜合分析，研究采空區(qū)積水與已知含水層及水體水化學特征規(guī)律，可有效判斷采空區(qū)積水補給水源。

(2)瞬變電磁法對采空區(qū)積水探測具有良好效果，能有效探明采空區(qū)積水分布范圍，并對強水力通道具有良好反映，為進一步開展導(dǎo)水通道封堵、水害治理工作提供依據(jù)。

(3)礦井受強水力補給采空積水區(qū)威脅時，通過瞬變電磁法探測、水化學分析法分析、水文地質(zhì)模型分析等綜合判定技術(shù)能快速判別補給水源與通道，對消除采空區(qū)水害隱患具有重要指導(dǎo)意義。