趙志剛

（山西汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304）

采空區(qū)積水是威脅煤礦安全生產(chǎn)的因素之一［1］。由于采空區(qū)邊界不清，積水量難以測定，極易引發(fā)煤礦透水事故，造成人員傷亡和設(shè)備損害［2］，甚至引起淹井事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會效應(yīng)［3］。因此，在煤礦的掘進(jìn)過程中，需要在距工作面一定距離的區(qū)域進(jìn)行富水性探測，進(jìn)行提前預(yù)測［4］。瞬變電磁法憑借其對低阻異常體反應(yīng)靈敏、方向性強(qiáng)、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、工作效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)［5］，在探測隱伏含（導(dǎo)）水構(gòu)造、充水鉆孔、采空區(qū)積水等方面取得了很好的應(yīng)用效果。

本文以汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)礦煤層為研究背景，采用瞬變電磁法探究采空區(qū)內(nèi)積水的分布情況，取得了明顯的地質(zhì)效果，為礦井防治水管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工作面概況

工作面開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2#煤，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該煤層以半亮煤為主，暗煤次之，層狀結(jié)構(gòu)，屬中強(qiáng)度硬度煤層，2#煤厚2.4～2.85 m，平均煤厚2.65 m。1207 材料巷為1207 工作面上順槽，工作面掘進(jìn)方向由南向北，東為已回采結(jié)束的1209 工作面，西為1207 運(yùn)巷，南為一采區(qū)三條下山巷道，北為礦井井田邊界。根據(jù)井田專門水文地質(zhì)勘查報(bào)告知，1207 材料巷頂板充水水源主要來自二疊系下石盒子組K8砂巖水，頂板砂巖水僅以滴水或淋水形式進(jìn)入工作面。底板充水水源為底板太灰、奧灰含水層，隔水層厚度45 m以上，工作面不帶壓，預(yù)測太灰、奧灰對掘進(jìn)不會造成威脅。1207 材料材巷相鄰1209 采空區(qū)積水，掘進(jìn)至里程760 m進(jìn)入探水線，預(yù)計(jì)采空區(qū)積水量21 636 m3，其探測范圍見圖1。

圖1 1207 材巷探測范圍

2 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是通過不接地回線供以雙極性脈沖電流。在電流突然中斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，會在附近地質(zhì)體周圍出現(xiàn)一次電磁場。在渦流信號從峰值趨于零時(shí)，一次場逐漸消失，會在不同地質(zhì)體周圍形成渦流信號。由于不同地質(zhì)體的電性差異，在不同地質(zhì)體內(nèi)部形成二次磁場。接受線圈通過對二次場信號進(jìn)行接受，觀測地質(zhì)體內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)分布規(guī)律和空間分布形態(tài)，從而圈定探測范圍內(nèi)異常區(qū)范圍。

3 礦井瞬變電磁法探測實(shí)例

汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)礦1207 材料巷開口650 m處出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，且淋水問題不斷加重。根據(jù)現(xiàn)有資料分析頂板淋水來自于1209 采空區(qū)積水通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入1207 工作面的范圍。礦方?jīng)Q定采用YCS200（A）+60 型礦用本安型瞬變電磁儀及其它儀器對巷道掘進(jìn)前方的未知區(qū)域進(jìn)行超前探測，判定相鄰采空區(qū)積水邊界，為防治水管理提供依據(jù)。

在工作面進(jìn)行物探時(shí)，應(yīng)保證環(huán)境安全，即頂?shù)装逯ёo(hù)完好、通風(fēng)正常、瓦斯?jié)舛确弦蟆o害氣體；工作面應(yīng)停電、無干擾情況、無積水、無淋水、無電磁干擾、儀器正常；應(yīng)采取的措施：避開相關(guān)電器設(shè)備，消除電磁對物探的影響。

3.1 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作量表述

圖2 測線剖面

本次探測范圍測線長100 m，探測范圍里程650～750 m，探測間距為10 m，共計(jì)11 個(gè)探測點(diǎn)，每個(gè)探測點(diǎn)設(shè)計(jì)角度為頂板15°、順層6°底板-30°三個(gè)方向，共計(jì)33 個(gè)物理點(diǎn)。

本次探測共采集三條測線，物理點(diǎn)33 個(gè)，多測道數(shù)據(jù)穩(wěn)定、歸一化曲線良好，數(shù)據(jù)全部合格。

3.2 充水區(qū)域探測

1207 材料巷由于幫部瓦斯管道和風(fēng)水管路的干擾，導(dǎo)致整體的視電阻率降低，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，將電阻率小于5 Ω·m的區(qū)域視為異常區(qū)域。

圖3 中當(dāng)探測點(diǎn)設(shè)計(jì)角度為沿頂板15°方向時(shí)，在探測里程10 m、50 m、70 m、100 m處有異常區(qū)域，分別命名為異常1#、2#、3#、4#。1#異常區(qū)域范圍為26～100 m，2#異常區(qū)域范圍為25～100 m，3#異常區(qū)域范圍為30～100 m，4#異常范圍為40～100 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)積水所致。

圖3 頂板15°方向視電阻率

圖4 中當(dāng)探測點(diǎn)設(shè)計(jì)角度為沿順層6°方向，在探測里程10 m、50 m、95 m處存在異常區(qū)域，分別命名為異常1#、2#、3#。1#異常區(qū)域范圍為55～100 m，2#異常區(qū)域范圍為35～100 m，3#異常范圍為30～100 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)積水所致。

圖4 順層6°方向視電阻率

圖5 中當(dāng)探測點(diǎn)設(shè)計(jì)角度為沿底板-30°方向，在探測里程10 m、50 m、70 m、95 m處存在異常區(qū)域，分別命名為1#、2#、3#、4#。1#異常區(qū)域范圍為25～100 m，2#異常區(qū)域范圍為25～100 m，3#異常區(qū)域范圍為25～60 m，4#異常區(qū)域范圍為35～80 m。探測區(qū)域的右?guī)蜑?209 采空區(qū)，推斷探測異常均為1209 采空區(qū)積水所致。

圖5 底板-30°方向視電阻率

根據(jù)相關(guān)水文地質(zhì)資料，工作面附近未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱。1207 材料巷頂板充水水源主要來自二疊系下石盒子組K8砂巖水，頂板砂巖水僅以滴水或淋水形式進(jìn)入工作面，底板充水水源為底板太灰、奧灰含水層，隔水層厚度45 m以上，工作面不帶壓，預(yù)測太灰、奧灰對掘進(jìn)不會造成威脅，主要水患為右?guī)蜑?209 采空區(qū)。

根據(jù)3 張瞬變電磁探測成果圖，頂板方向+15°、順層6°、底板-30°的1#異常是同一個(gè)異常區(qū)域所致，頂板方向+15°、順層6°、底板-30°的2#異常是同一個(gè)異常區(qū)域所致，頂板方向+15°、底板-30°的4#和順層6°的3#異常、是同一個(gè)異常區(qū)域所致。結(jié)合多測道曲線、視電阻率圖以及采空和水文地質(zhì)條件，綜合考慮采空區(qū)積水富存情況的不規(guī)則性，得出探測里程650～750 m，深度100 m范圍內(nèi)為采空區(qū)積水或采空區(qū)潮濕區(qū)域。

4 工作面排水措施

由于掘工作面的右側(cè)采空區(qū)有一定的積水，掘進(jìn)過程中可能會導(dǎo)致其進(jìn)入掘進(jìn)工作面，將造成掘進(jìn)工作無法正常進(jìn)行。因此，需要在施工前做好防水工作，制定排水措施。

1）排放采空區(qū)內(nèi)的積水時(shí)，應(yīng)提前估算好積水量，水位標(biāo)高、礦井排水能力和水倉容量等，研究放水順序和控制放水孔的流量，做出放水設(shè)計(jì)。

2）提前做好水量，水壓等煤層透水試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理，避免因局部放水效果不好或煤壁漏水影響掘進(jìn)工作的進(jìn)行。

3）建立完善的排水系統(tǒng)，鋪設(shè)一條4 寸的排水管路，配備2 臺功率大于45 kW的水泵，一臺備用，另外在巷道起伏位置處，煤壁幫側(cè)設(shè)置尺寸為4.0 m×2.0 m×4.0 m的水倉。

4）施工隊(duì)組在掘進(jìn)過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行“物探先行，鉆探跟進(jìn)，物鉆化并舉”的探放水原則，積極探查區(qū)內(nèi)的隱伏構(gòu)造及水患威脅；施工隊(duì)組在施工過程中必須嚴(yán)密監(jiān)測工作面水情，如發(fā)現(xiàn)突水征兆，應(yīng)先撤人到安全區(qū)域，再匯報(bào)。

5 結(jié)語

1）采用瞬變電磁法在汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)礦開展煤層采空區(qū)積水分布情況的探測工作，掌握了采空區(qū)內(nèi)積水的分布范圍。

2）根據(jù)三條測線的視電阻率圖，確定了采空區(qū)內(nèi)的積水區(qū)域，得出主要水患來自右?guī)偷?209 采空區(qū)。

3）根據(jù)瞬變電磁法的探測結(jié)果，重新預(yù)計(jì)采空區(qū)積水區(qū)域。本次探測工作證明了瞬變電磁法在采空區(qū)積水分布探測方面的有效性，在今后工作中，應(yīng)加強(qiáng)該方法的應(yīng)用。