薛雄飛

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦長(zhǎng)壁大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)度開采引起的地表沉陷、地下水流失、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題相繼出現(xiàn)，其中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是導(dǎo)致這些問題的主要癥結(jié)所在[1-3]。目前針對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度的確定方法主要以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、鉆孔沖洗液觀測(cè)、數(shù)值模擬、相似材料物理試驗(yàn)等傳統(tǒng)方法為主[4-6]，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的確定方法均存在一定的局限性[7-9]。因此，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的確定，對(duì)評(píng)價(jià)礦井回采工作面突水危險(xiǎn)性、科學(xué)制定水害防治措施具有重要意義[10-11]。

以杭來灣煤礦30103回采工作面為研究對(duì)象，在以往通過鉆孔實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度的基礎(chǔ)上[12-13]，利用導(dǎo)水裂縫帶充水后電阻率降低的這一特征，引入了瞬變電磁探測(cè)方法，通過分析探測(cè)結(jié)果和鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異，確定大采高綜采開采條件下瞬變電磁探測(cè)法在杭來灣煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度中的適用性。

1 工作面概況及探測(cè)條件

1.1 工作面概況

30103回采工作面是杭來灣煤礦301盤區(qū)第3個(gè)工作面，工作面走向長(zhǎng)度為4 352 m，傾向長(zhǎng)度為299.1 m，3號(hào)煤層平均厚度8.7 m，傾角5.5°，平均埋深約250 m，地質(zhì)儲(chǔ)量約8.0 Mt。工作面采用長(zhǎng)壁分層大采高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，前期開采3號(hào)煤層上分層，采厚為4.8 m。30103工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工作面沒有大的構(gòu)造，地層沉積平緩穩(wěn)定，厚度變化均勻，地層巖性主要以砂巖為主。

1.2 探測(cè)條件

一般情況下，導(dǎo)水裂縫發(fā)育且充水的地層具有低電阻率的特征，裂縫發(fā)育的程度越高，富水性就越強(qiáng)，低阻特征越明顯。電阻率與地層的巖性、裂縫發(fā)育程度和富水性具有顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系。30103工作面于2015年回采完畢，頂板完全垮落后，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育趨于穩(wěn)定，回采形成的導(dǎo)水裂縫被水充填后，電阻率將明顯降低，瞬變電磁探測(cè)顯示為低阻異常區(qū)，這一特性滿足瞬變電磁儀的探測(cè)條件。因此，瞬變電磁探測(cè)法適用杭來灣煤礦30103工作面導(dǎo)水裂縫帶高度的探測(cè)。

2 瞬變電磁探測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 儀器選擇

本次探測(cè)選用安徽惠州地質(zhì)安全研究院生產(chǎn)的YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀，該設(shè)備接收和發(fā)射線圈尺寸為1.8 m×1.8 m，發(fā)射頻率分別為125 Hz、25 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz、5 Hz和2.5 Hz，信號(hào)接收頻率范圍為1～400 kHz，采樣抽道運(yùn)算道數(shù)為360道，最大探測(cè)深度為120 m，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)滿足探測(cè)要求。YCS360A型礦用本安型瞬變電磁儀內(nèi)置的自定義探測(cè)程序，主要用于探測(cè)煤層底板的富水性，該程序適用于本次探測(cè)。

2.2 探測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)杭來灣煤礦30103回采工作面的地層特征，在導(dǎo)水裂縫帶影響范圍內(nèi)，直羅組和延安組砂巖承壓含水層厚度穩(wěn)定且分布廣泛，瞬變電磁探測(cè)法的可靠性更高。因此，探測(cè)設(shè)計(jì)借助鉆孔柱狀圖進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和地層參照，結(jié)合導(dǎo)水裂縫帶在工作面不同位置的發(fā)育規(guī)律，同時(shí)考慮瞬變探測(cè)儀最大探測(cè)深度和范圍，綜合分析后將探測(cè)地點(diǎn)選擇在30103工作面采空區(qū)中部鉆孔B4附近，距切眼230～330 m范圍內(nèi)，共設(shè)計(jì)11個(gè)探測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為10 m，測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。

圖1 30103工作面采空區(qū)瞬變電磁探測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of transient electromagnetic detection points in goaf of 30103 working face

3 數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用瞬變電磁儀內(nèi)置的自定義探測(cè)方法，根據(jù)探測(cè)點(diǎn)布置圖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。首先，清理工作現(xiàn)場(chǎng)地表的雜草和雜物，保證設(shè)備盡量遠(yuǎn)離金屬干擾和高壓線路；根據(jù)探測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)，利用手持GPS或RTK進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣，對(duì)11個(gè)探測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)記，并編號(hào)做好記錄；檢查儀器設(shè)備的工作狀況，檢查收發(fā)線圈是否正確連接。選擇設(shè)備內(nèi)置的自定義探測(cè)方法，將線圈置于探測(cè)點(diǎn)的中心，操作設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待數(shù)據(jù)采集進(jìn)度條完成，依次完成剩余探測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理和成果解釋

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，將本次采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，打開MTEM數(shù)據(jù)處理軟件，按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過工程導(dǎo)入、測(cè)線組合、道參修改、干擾校正、擴(kuò)散校正和圓滑處理等操作后，生成了30103回采工作面采空區(qū)裂隙探測(cè)視電阻率色譜斷面圖，如圖3所示。

圖2 探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Detection data processing flow

圖3 30103工作面采空區(qū)裂隙探測(cè)視電阻率色譜斷面Fig.3 Apparent resistivity chromatographic section of fracture detection in goaf of 30103 working face

3.2.2 數(shù)據(jù)處理和成果解釋

本次探測(cè)以探測(cè)線附近的B4鉆孔作為地層參照，結(jié)合B4鉆孔柱狀圖排除了導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖對(duì)本次探測(cè)結(jié)果的干擾影響后，根據(jù)視電阻率色譜斷面中可以看出，垂深110～120 m之間出現(xiàn)大范圍的低阻區(qū)，同時(shí)隨著深度增加電阻率明顯降低，由此判斷開采引起的導(dǎo)水裂隙在該范圍以下發(fā)育程度逐漸增大。由于該探測(cè)區(qū)域內(nèi)B4鉆孔柱狀圖煤層埋深約230 m，視電阻率色譜斷面圖顯示，導(dǎo)水裂縫帶在距離地表大約110～120 m的位置發(fā)育程度較高，結(jié)合B4鉆孔柱狀圖可知探測(cè)區(qū)域內(nèi)3號(hào)煤層埋藏深度約為232 m左右。因此，在采厚為4.8 m的情況下，探測(cè)區(qū)域?qū)芽p帶發(fā)育高度約為118 m，裂采比為24.6。

3.3 成果驗(yàn)證

3.3.1 導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)

杭來灣煤礦通過地面鉆孔沖洗液漏失觀測(cè)法和井下仰斜孔漏失量觀測(cè)法，2種方法分別對(duì)30101回采工作面和30108回采工作面導(dǎo)水裂縫高度進(jìn)行過實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)的工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 杭來灣煤礦導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)成果Table 1 Measured results of height of water flowing fracture zone in Hanglaiwan coal mine

3.3.2 結(jié)果分析

對(duì)比瞬變電磁探測(cè)法和鉆孔實(shí)測(cè)法2種探測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果幾乎與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大，與鉆孔實(shí)測(cè)的方法相比，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果具有費(fèi)用低、效率高、操作簡(jiǎn)單快捷、探測(cè)位置靈活、探測(cè)深度大，探測(cè)結(jié)果可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。以往不具備鉆孔實(shí)測(cè)條件時(shí)，一般都采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，但是經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在很大差距，不適用于大采高綜合機(jī)械化開采的情況，瞬變電磁儀探測(cè)法的引入，給導(dǎo)水裂縫帶高度的探測(cè)提出了一種新的技術(shù)手段。隨著礦井開采范圍和開采技術(shù)條件的不斷變化，可根據(jù)需要隨時(shí)在指定區(qū)域進(jìn)行回采工作面采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育程度的探測(cè)，利用探測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)礦井回采工作面突水危險(xiǎn)性、制定頂板水害防治措施。

4 結(jié)論

(1)工作面回采過后，頂板自然垮落，導(dǎo)水裂縫帶向上覆基巖含水層發(fā)育，使得導(dǎo)水裂縫充水，這一特征滿足瞬變電磁儀的工作條件。

(2)杭來灣煤礦30103回采工作面探測(cè)結(jié)果顯示，采厚為4.8 m時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度為118 m，裂采比為24.6，這一結(jié)果與鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，證明該探測(cè)方法可靠性較高。

(3)大采高綜合機(jī)械化開采條件下，經(jīng)驗(yàn)公式在導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算過程中存在很大的局限性，不推薦礦井繼續(xù)使用。與傳統(tǒng)的導(dǎo)水裂縫帶高度探測(cè)手段相比，瞬變電磁法具有費(fèi)用低、效率高、操作簡(jiǎn)單、探測(cè)結(jié)果可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和潛力很大。

(4)利用瞬變電磁法對(duì)回采工作面采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育程度的探測(cè)，為礦井回采工作面突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)和頂板水害防治措施的制定，提供了重要依據(jù)。