劉百祥，鮮鵬輝，仇念廣

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

隨著煤礦資源的開發(fā)，淺部?jī)?yōu)勢(shì)資源開發(fā)殆盡，伴隨著礦井的進(jìn)一步整合，對(duì)賦存條件較差的煤層開始開采，由于以前存在較多的小窯開采，造成很多地質(zhì)資料缺失或不詳，使得開采地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜，其中以上覆煤層采空區(qū)水害尤為突出。

目前探查水害的主要手段有直流電法、音頻電透、瞬變電磁；但直流電法需要在頂板打孔施放電極，施工效率較低；音頻電透獲取的頂板上方數(shù)據(jù)量相對(duì)偏少；瞬變電磁可以在2 條巷道進(jìn)行多點(diǎn)多角度測(cè)量，獲得足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行切片分析，因此成為探查上覆煤層采空區(qū)富水性的常用方法。近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)頂板富水性做了不少試驗(yàn)和研究工作，其中李桓宇[1]等利用礦井瞬變電磁波探測(cè)技術(shù)探測(cè)某礦1#煤層1-101 綜采工作面底板破壞范圍，確定了煤層底板下采空區(qū)、斷裂帶、富水區(qū)等分布范圍；牟義[2]、李文、黎靈等對(duì)寧夏某煤礦1121 工作面頂板富水性進(jìn)行了探測(cè)，運(yùn)用三維切片技術(shù)，分析解釋了工作面頂板富水性的問題；方剛[3]根據(jù)物探、鉆探成果及水質(zhì)特征分析結(jié)果，確定某礦1301 工作面頂板富水區(qū)域以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)儲(chǔ)量補(bǔ)給有限；鐘聲[4]等利用地面與井下瞬變電磁探測(cè)相結(jié)合的方法，控制水害分布范圍和圈定富水區(qū)域，指導(dǎo)下一步的抽排水工作；丁永祿[5]等采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)探明工作面橫向范圍與縱向頂板上方80 m 范圍巖層富水性，圈定了富水異常區(qū)段及等級(jí)；王艷彬[6]對(duì)雙馬煤礦首采區(qū)煤層頂板富水性進(jìn)行探測(cè)與水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；張彬[7]對(duì)頂?shù)装甯凰詷?gòu)造、李洋[8]等對(duì)導(dǎo)水裂縫富水性、吳正飛[9]等對(duì)上覆燒變巖富水性進(jìn)行研究；曲秋揚(yáng)[10]、侯文高[11]、田茂虎[12]等對(duì)頂板富水性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及用水量評(píng)價(jià)；栗榮華[13]對(duì)工作面頂板含水層特征進(jìn)行探測(cè)分析，張宇[14]等對(duì)回采工作面上覆采空區(qū)富水性進(jìn)行探測(cè)及疏放；張志杰[15]、張仕同[16]等對(duì)綜采工作面進(jìn)行采前水害評(píng)價(jià)。

為了確保某礦9104 工作面安全回采，采用地質(zhì)分析、瞬變電磁探測(cè)、鉆探驗(yàn)證3 種手段相互綜合的方法來查明工作面上覆煤層采空區(qū)的富水區(qū)域。首先通過已有地質(zhì)資料分析工作面的水文地質(zhì)情況，確定主要隱蔽水害是上覆4-1號(hào)煤層采空積水區(qū)；然后針對(duì)水害特征選取合適的物探方法，進(jìn)行最佳探測(cè)設(shè)計(jì)；根據(jù)回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷的探測(cè)數(shù)據(jù)，闡述如何繪制4-1號(hào)煤層視電阻率等值線成果切片；最后通過鉆探驗(yàn)證瞬變電磁探測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)分析

1.1 工作面地質(zhì)概況

9104 工作面位于該礦井田內(nèi)西南部方向，工作面南部與該礦和黨新煤礦井田保安煤柱相鄰，西部為該礦舊井陶卜洼煤礦所采9 號(hào)煤層采空區(qū)，北部與該礦回風(fēng)大巷相鄰，東部為9104 工作面回風(fēng)繞道，回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷沿9 號(hào)煤底板掘進(jìn)。

1）所采煤層。本工作面所采煤層為9 號(hào)煤層，9號(hào)煤層位于太原組下部，上距4-2號(hào)煤層36.40 m 左右。煤層厚度為11.70～16.25 m，平均為13.1 m。含夾矸1～5 層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-復(fù)雜，夾矸巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖。煤層總體為一走向北北西，向北東東傾伏，煤層傾角為 8°～13°，平均為 10°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2）頂?shù)装迩闆r。9 號(hào)煤層頂板為砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度為2.10～13.90 m，平均為7.09 m。砂質(zhì)泥巖為軟巖-較軟巖，屬易垮落的松軟頂板，泥巖為較軟巖，屬易垮落的松軟頂板。底板為泥巖、中細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為3.95～5.84 m，平均為4.89 m。泥巖為軟巖-較軟巖，中細(xì)砂巖為軟巖-較軟巖，砂質(zhì)泥巖為軟巖。

3）上覆煤層。4-1號(hào)煤層，位于太原組頂部，直接頂為K3砂巖，煤層厚度9.40～12.24 m，平均11.12 m，此煤層已基本采空；4-2號(hào)煤層，上距4-1號(hào)煤層1.71 m 左右，煤層厚度 1.48～4.15 m，平均 3.06 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-復(fù)雜，4-2號(hào)煤層由于受4-1號(hào)煤層開采引起的底板擾動(dòng)破壞，已無法開采。

4）地質(zhì)構(gòu)造。9104 工作面位于區(qū)域構(gòu)造馬關(guān)河向斜西翼，總體為一走向北北西，向北東東傾伏的單斜構(gòu)造，地層比較平緩，一般為 8°～13° ，工作面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱、巖漿巖侵入等現(xiàn)象，構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。

5）水文條件。井田內(nèi)主要含水層由下至上依次為：奧陶系巖溶水含水層（簡(jiǎn)稱奧灰），該含水層單位涌水量q=0.596 L/（s·m），滲透系數(shù)1.384 m/d，含水層富水性中等；太原組層間砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、基巖風(fēng)化殼裂隙含水層、第三、第四系砂礫石孔隙含水層，各含水層相對(duì)獨(dú)立，水動(dòng)力聯(lián)系差，只要排水正常一般不會(huì)對(duì)礦井生產(chǎn)造成威脅。

1.2 潛在水害分析

綜合已知地質(zhì)資料，本工作面地構(gòu)造簡(jiǎn)單，各含水層相對(duì)獨(dú)立，水動(dòng)力聯(lián)系較差且地質(zhì)資料較為詳細(xì)，對(duì)回采形成水害威脅較小；9 號(hào)煤層在兼并重組前開采形成的采空區(qū)主要在井田西部，已通過鉆孔探查，確定對(duì)9104 工作面回采不存在突水威脅；4-1號(hào)煤層老空水資料不詳，對(duì)9104 工作面回采具潛在突水威脅。因此，能否查明4-1號(hào)煤層老空水分布范圍是影響回采的重要因素。

2 瞬變電磁探測(cè)原理

根據(jù)水害特點(diǎn)，解決上覆煤層采空區(qū)富水性問題宜選擇瞬變電磁進(jìn)行多方向探測(cè)。礦井瞬變電磁探測(cè)是井下巷道內(nèi)利用多匝小回線重疊裝置進(jìn)行發(fā)射與接收，在一次場(chǎng)的間歇期接收“純二次場(chǎng)”，通過接收各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換獲得不同深度的煤巖層電性特征[17]。

3 探測(cè)設(shè)計(jì)與施工

3.1 探測(cè)目的與區(qū)域選擇

根據(jù)資料分析得出本工作面主要水害為4-1號(hào)煤層老空水，主要目的是查明老空水的分布范圍。

4-1號(hào)煤層底板與9104 工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷垂直距離大約50 m，回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷之間距離為151 m，該工作面南高北低、西高東低的特點(diǎn)，針對(duì)50 m 高度設(shè)計(jì)探測(cè)方向，根據(jù)東北偏低的方位特點(diǎn)選取停采線往切眼方向170 m 范圍做為本次探測(cè)區(qū)域。

3.2 測(cè)點(diǎn)與方向設(shè)計(jì)

在回風(fēng)巷布置測(cè)點(diǎn)，間距為10 m，標(biāo)號(hào)從0#～17#，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)4 個(gè)方向，依次為垂直頂板90°方向、偏頂板68°方向、偏頂51 板68°方向、偏頂板40°方向，標(biāo)號(hào)①～④；在運(yùn)輸巷布設(shè)測(cè)點(diǎn)，間距為10 m，標(biāo)號(hào)從 0#～17#，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè) 5 個(gè)方向，依次為偏頂板 35°方向、偏頂板 44°方向、偏頂 58°方向、偏頂板78°方向、垂直頂板90°方向，標(biāo)號(hào)⑤～⑨。探測(cè)方向設(shè)計(jì)如圖1，一共9 條測(cè)線，控制在4-1號(hào)煤層位置各方向測(cè)線間距≤20 m；由于受瞬變電磁探測(cè)有效距離限制，本方法只適應(yīng)于較窄工作面（200 m以內(nèi)）頂板上方探測(cè)；工作面越寬，在2 條巷道控制的頂板上方距離越短；在工作面寬度一致的情況下，控制頂板往上60 m 高度內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)量較豐富，越往上中間出現(xiàn)的空白范圍帶越寬。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)施工

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)標(biāo)定，方向用姿態(tài)角測(cè)量?jī)x和坡度規(guī)綜合測(cè)定；采集參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)后，本次頻率選取25 Hz、疊加次數(shù)128 次；最后按設(shè)計(jì)要求完成數(shù)據(jù)采集并做好現(xiàn)場(chǎng)記錄。

施工現(xiàn)場(chǎng)記錄：回風(fēng)巷0-2#點(diǎn)有金屬支柱，16#、17#號(hào)點(diǎn)有少量淋水；運(yùn)輸巷有帶式輸送機(jī)，0-2#點(diǎn)有金屬支柱，16#、17#號(hào)點(diǎn)有少量淋水；其他探測(cè)條件較好。

圖1 探測(cè)方向設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection direction design

4 成果切片圖繪制

4.1 計(jì)算視電阻率

視電阻率其視電阻率ρs的計(jì)算公式[17]為：

式中：C 為全空間響應(yīng)系數(shù)；S 為重疊回線面積，m2；N 為線圈匝數(shù)；t 為時(shí)間，s；μ0為真空磁導(dǎo)率，N/A；V/I 為歸一化電壓電流比值，V/A。

4.2 時(shí)深轉(zhuǎn)換

根據(jù)蔣邦遠(yuǎn)的煙圈反演理論[18]，電磁波在遠(yuǎn)處傳播擴(kuò)散越來越大，其深度H 與傳播速度vz的計(jì)算公式如下：

式中：ρs為視電阻率，Ω·m；vz為傳播速度，m/s。

式中：H 為視深度，m。

4.3 深度數(shù)據(jù)提取

根據(jù)前面所述，主要針對(duì)頂板上方 50 m 處進(jìn)行切片；設(shè)H0=50 m，設(shè)測(cè)線與煤層夾角為αi（i=1，2，…，9），則：

按式（4）計(jì)算各測(cè)線視深度，用Matlab 編程提取各測(cè)線視深度的視電阻率值。

4.4 建立相對(duì)坐標(biāo)系

以回風(fēng)巷0#測(cè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，回風(fēng)巷往停采線方向?yàn)閤 軸正方向，垂直回風(fēng)巷往運(yùn)輸巷方向?yàn)閥軸正方向，建立相對(duì)坐標(biāo)系；各個(gè)測(cè)點(diǎn)的探測(cè)方向在深度50 m 位置的形成20 m×10 m 的網(wǎng)格，相對(duì)坐標(biāo)系示意圖如圖2。

圖2 相對(duì)坐標(biāo)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative coordinate system

4.5 Surfer成圖

根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)線位置、視電阻率3 列數(shù)據(jù)，利用Surfer 繪制視電阻率等值線成果圖，進(jìn)行網(wǎng)格化、濾波、設(shè)置色譜、添加網(wǎng)格、標(biāo)注文字等步驟。

5 分析驗(yàn)證

5.1 成果分析

4-1號(hào)煤層切片成果圖如圖3。結(jié)合地質(zhì)資料劃分本次瞬變電磁探測(cè)的異常區(qū)閾值，視電阻率ρs≤8 Ω·m，為相對(duì)低阻異常區(qū)，劃分為積水區(qū)；8 Ω·m＜ρs≤20 Ω·m，為過渡區(qū)，劃分為弱積水區(qū)；ρs＞20 Ω·m，為正常區(qū)，劃分為無積水區(qū)。

圖3 4-1 號(hào)煤層切片成果圖Fig.3 Slice results of 4-1 coal seam

從圖3 可以看出，在測(cè)點(diǎn)位置0～20 m，貫穿整個(gè)工作面呈現(xiàn)條帶狀的低阻區(qū)域YC1（虛線圈定區(qū)域），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件0-2#點(diǎn)有金屬支柱，該異常為金屬支柱干擾導(dǎo)致；在運(yùn)輸巷135～170 m 位置、距離運(yùn)輸巷30 m 范圍存在相對(duì)低阻異常區(qū)YC2（虛線圈定區(qū)域），結(jié)合地質(zhì)資料分析，該異常為4-1號(hào)煤層采空積水區(qū)；其他區(qū)域未見明顯低阻異常區(qū)，視電阻率值變化較平緩，表明該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)無積水或弱積水。

5.2 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)探測(cè)成果設(shè)計(jì)zk1（設(shè)計(jì)深度55 m）、zk2（設(shè)計(jì)深度 60 m）、zk3（設(shè)計(jì)深度 65 m）3 個(gè)鉆孔對(duì)異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔布設(shè)示意圖如圖4。zk1 施工至52.3 m 時(shí)出水，最大出水量 20 m3/h; zk2 施工至56.8 m 時(shí)出水，最大出水量 15 m3/h；zk3 施工至設(shè)計(jì)深度，未見出水。

圖4 鉆孔布設(shè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of drilling layout

6 結(jié) 論

1）瞬變電磁探測(cè)控制工作面寬度不超過200 m，頂板往上60 m 高度內(nèi)能夠獲得較豐富的數(shù)據(jù)，并隨著高度的增加空白范圍帶越來越寬。

2）可以采用多角度方向設(shè)計(jì)，獲取更多測(cè)線方向的數(shù)據(jù)利于繪制成果切片圖，可以繪制有效探測(cè)距離內(nèi)的任意高度的切片成果圖。

3）按照相對(duì)視電阻率值對(duì)上覆4-1號(hào)煤層采空積水區(qū)進(jìn)行了定性評(píng)價(jià)，查明了其積水區(qū)分布范圍，鉆探驗(yàn)證增加了探測(cè)的可靠性。