何廣宏

(山西汾西同達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司， 山西 介休 032000)

兼并重組礦井井田內(nèi)小煤窯的過(guò)度開(kāi)采、上層煤層采空區(qū)資料的短缺等原因?qū)е略S多越層、超警戒的隱性采空區(qū)位置、范圍無(wú)法確定，給重組礦井的掘進(jìn)和回采帶來(lái)安全隱患，特別是對(duì)下層煤的開(kāi)采產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在采空區(qū)透水和采空區(qū)頂板發(fā)生大面積垮落。因此，必須對(duì)采空區(qū)的位置、范圍、邊界等進(jìn)行探測(cè)，為礦井安全開(kāi)采提供技術(shù)指導(dǎo)。以和善礦6-1采區(qū)6102、6103工作面為例，采用瞬變電磁法對(duì)回采工作面上層采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，確定采空區(qū)積水的位置、范圍、水量，驗(yàn)證疏水效果，確保礦井安全生產(chǎn)。

1 工程概況

和善煤礦由原山西沁源和達(dá)煤業(yè)有限公司、原沁源善樸煤炭有限公司、原沁源花坡煤炭有限公司及空白資源兼并重組，井田面積12.648 2 km2，批準(zhǔn)開(kāi)采1#—11#煤層，開(kāi)采深度為+1 570～+1 060 m，生產(chǎn)規(guī)模180萬(wàn)t/a.

該礦6-1采區(qū)位于井田西部，主采6#煤，穩(wěn)定可采，水文地質(zhì)屬于中等類(lèi)型；采區(qū)南邊界為6102、6103工作面，切眼長(zhǎng)均為180 m，工作面長(zhǎng)1 200 m. 根據(jù)煤層柱狀圖，現(xiàn)批準(zhǔn)開(kāi)采的6#煤上距2#、3#煤層20.3～25.4 m，2#、3#煤厚度為2.1～3.5 m，平均為2.8 m，大部分采用房柱式采煤法，被小煤窯泛濫開(kāi)采、嚴(yán)重破壞，上層含水巖層裂隙發(fā)育，2#、3#煤層采空區(qū)積水極易通過(guò)斷層、陷落柱及裂隙帶下滲到6#煤6102、6103工作面，造成透水事故。經(jīng)地面實(shí)地調(diào)查，探測(cè)范圍內(nèi)小窯井筒9座，原開(kāi)采的2#、3#煤采空巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，井下地質(zhì)、采掘活動(dòng)資料缺乏，隱性采空區(qū)位置、界限無(wú)法確定，采空積水面積約為20萬(wàn)m2，積水量約為10萬(wàn)m3. 為弄清工作面的具體異常情況，利用礦井瞬變電磁儀對(duì)6102、6103工作面進(jìn)行探測(cè)。

2 瞬變電磁實(shí)施方案

為探測(cè)6102、6013回采工作面頂板上層煤采空區(qū)積水，實(shí)地踏勘了工作面對(duì)應(yīng)的地面地形特征，采用瞬變電磁儀在地面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，劃定測(cè)試范圍，劃分疏水前和疏水后兩個(gè)數(shù)據(jù)采集階段。疏水前劃定60、160、240、260、340、400六條測(cè)線，設(shè)置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理、資料整理解釋、反演計(jì)算等；第一次探測(cè)并繪制瞬變電磁視電阻率擬斷面圖、切片圖及異常解釋成果圖，確定采空區(qū)積水范圍、位置，估算出采空區(qū)積水面積和總量；疏水后第二次探測(cè)設(shè)置A100、A200、A300、A400等8條測(cè)線并繪制視電阻率擬立斷面圖，對(duì)比疏水前后視電阻率變化；總結(jié)瞬變電磁技術(shù)的成果，給出掘進(jìn)、回采的建議。

3 資料解釋

3.1 疏放水前視電阻率擬斷面圖資料分析

為有效查看地質(zhì)體在橫向和垂向上的電性分布特征，結(jié)合已知資料和視電阻率擬斷面圖，標(biāo)繪出煤層位置，通過(guò)電阻率色譜的變化特征、規(guī)模、形態(tài)和電阻率等值線的梯度、間距變化，推斷地質(zhì)體或異常的形態(tài)、性質(zhì)等，解釋斷裂構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)及富含水特征。

對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)60線典型的瞬變電磁測(cè)線視電阻率斷面圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1. 60線位于測(cè)區(qū)南側(cè)，6102回風(fēng)順槽北側(cè)約6 m，2#和3#煤共圈定異常區(qū)4個(gè)，強(qiáng)異常區(qū)4個(gè)；6#煤共圈定異常區(qū)2個(gè)，強(qiáng)異常區(qū)1個(gè)，弱異常區(qū)1個(gè)。

圖1 60線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖

3.2 疏放水前視電阻率順層切片圖資料分析

通過(guò)對(duì)煤層底板等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和網(wǎng)格化，得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)煤層的高程數(shù)據(jù)，在瞬變電磁成果數(shù)據(jù)體中提取各目的層的順層視電阻率數(shù)據(jù)并生成順層切片圖。順層電阻率及其富水性分析圖可以顯示含水異常的整體輪廓，還可配合視電阻率擬斷面圖進(jìn)行含水異常解釋，低電阻率值可以解釋為含水異常區(qū)。

等高線數(shù)據(jù)提取的主要方法：將等高線、見(jiàn)煤標(biāo)高點(diǎn)導(dǎo)入至MapGIS中，對(duì)曲線進(jìn)行高程賦值及節(jié)點(diǎn)加密；然后將等高線節(jié)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的高程值導(dǎo)出，在Sufer中采用與測(cè)網(wǎng)網(wǎng)度相同或更小的間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，標(biāo)出分布整個(gè)測(cè)區(qū)的均勻高程點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)附近都有與之對(duì)應(yīng)的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值提取周邊的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，并通過(guò)插值算法計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的高程數(shù)值，得到各切片中測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程數(shù)值。根據(jù)得到的高程數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理成果數(shù)據(jù)體中提取順層視電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)提取的順層視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行富水性處理，最后在Surfer中繪制順層切片圖。

2#、3#煤層視電阻率順層切片圖見(jiàn)圖2，整體上地層的背景電性特征相對(duì)均勻，異常呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，視電阻率的變化范圍較大，局部存在低阻異常，呈條帶或片狀主要分布于測(cè)區(qū)西側(cè)、中西部和中東部3個(gè)區(qū)域，均為采空積水的表現(xiàn)。

3.3 疏放水前視電阻率異常解釋成果分析

2#、3#煤層埋藏較淺，大部分為小窯破壞區(qū)，由于開(kāi)采年代久，巖層沉降、裂隙發(fā)育，采空區(qū)低洼地帶易變成積水區(qū)。根據(jù)2#、3#煤層瞬變電磁視電阻率擬斷面圖、切片圖，6102、6103工作面范圍內(nèi)共圈定采空積水區(qū)異常12個(gè)，編號(hào)分別為A1、A2、A3、A4、A5、A8、A9、A13、A16、A17 和A18，A19. 其中，強(qiáng)采空積水異常區(qū) 5 個(gè)，分別為 A1、A2、A5、A8和 A17；弱采空積水區(qū)7個(gè)，分別為A3、A4、A9、A13、A16、A18 和 A19.

2#、3#煤層采空區(qū)積水量計(jì)算公式：

Q采=(K·M·F)/cosα

式中：

圖2 2#、3#煤層視電阻率順層切片圖

Q采—各積水區(qū)總積水量，m3；

K—采空區(qū)的充水系數(shù)；

M—采空區(qū)的平均采高或煤厚，m；

F—采空區(qū)積水的投影面積，m2；

α—煤層傾角，(°).

采空區(qū)的充水系數(shù)強(qiáng)積水區(qū)取0.35，弱積水區(qū)取0.2,2#煤平均煤厚0.5 m,3#煤平均煤厚 0.8 m,由此計(jì)算出2#、3#煤層采空區(qū)積水面積約為234 575 m2，采空區(qū)積水量為98 593 m3. 其中，強(qiáng)采空積水異常區(qū)積水面積約為192 838 m2，積水量約為87 742 m3；弱采空積水區(qū)積水面積約為41 737 m2，積水量為10 851 m3，采空區(qū)積水量估算表見(jiàn)表1.

表1 2#、3#煤采空區(qū)積水量估算表

3.4 疏放水前、后視電阻率擬斷面對(duì)比分析

根據(jù)第一次探查劃定的采空區(qū)積水和2#、3#煤采掘工程平面圖，布置6#煤回采巷，實(shí)施有效的超前探放水措施。以A200線瞬變電磁視電阻率擬斷面圖(見(jiàn)圖3)為例，測(cè)線位于測(cè)區(qū)北側(cè)，左側(cè)為A200測(cè)線疏放水前地面瞬變電磁探測(cè)視電阻率擬斷面圖，右側(cè)為A200測(cè)線疏放水后地面瞬變電磁探測(cè)視電阻率擬斷面圖。從圖3可以研判：驗(yàn)證斷面的上部視電阻率相較疏放水前視電阻率值偏高，有2處強(qiáng)異常區(qū)；通過(guò)6#煤6102、6103工作面掘進(jìn)巷道布置，超前疏放水后視電阻率值偏低，有4處弱異常區(qū)，積水區(qū)由強(qiáng)積水區(qū)變成弱積水區(qū)；通過(guò)掘進(jìn)、回采實(shí)踐表明：工作面疏放水水量為8萬(wàn)m3，回采時(shí)工作面最大涌水量5 m3/h，使嚴(yán)重采空積水得到有效控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

礦井瞬變電磁法針對(duì)礦井工作面上層采空區(qū)積水實(shí)現(xiàn)全方位的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有效確定煤層頂板采空區(qū)的位置、范圍、含水量，同時(shí)驗(yàn)證疏水效果。

圖3 A200 線疏放水前后視電阻率擬斷面對(duì)比圖

1) 與傳統(tǒng)礦井物探方法相比，地面瞬變電磁探測(cè)技術(shù)可以有效地解決工作面上層采空區(qū)積水嚴(yán)重、上組煤開(kāi)采資料缺乏、無(wú)法進(jìn)行下組煤安全掘進(jìn)的礦井采區(qū)布置等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)需掘進(jìn)探巷的超前大面積井田的預(yù)防探測(cè)。

2) 礦井地面瞬變電磁法實(shí)現(xiàn)了探測(cè)采空積水的位置、范圍、邊界的全方位超前探測(cè)，其反演形成剖面圖圈定了積水異常區(qū)的層位、水量，其形成不同探測(cè)角度的順層立體切片圖圈定了水平位置、影響范圍及水量延伸變化；減少人工掘進(jìn)探巷的成巷成本，建設(shè)高效的、安全的礦井。

3) 通過(guò)疏水前后對(duì)比圖和實(shí)際探放水位置、水量，可排除地面電磁干擾，準(zhǔn)確地驗(yàn)證實(shí)際積水位置、水量；驗(yàn)證掘進(jìn)、回采工作面上層采空區(qū)積水治理效果，減少無(wú)效探巷成本，降低掘進(jìn)、回采作業(yè)的透水、冒頂?shù)劝踩鹿省?/p>