賈金鳳

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

隨著煤礦逐漸向深部開采，復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境可能造成礦井突水事故的發(fā)生，其中老空區(qū)積水造成的突水事故占據(jù)礦井水害的大部分[1]。趙立曙、王俊奇等人采用瞬變電磁法對(duì)頂板老空區(qū)進(jìn)行了多角度探測(cè)，探測(cè)效果良好，有效地解釋了采空區(qū)范圍和位置特征[2]。岳建華教授對(duì)瞬變電磁法限制條件和影響因素進(jìn)行了分析，進(jìn)一步探討了瞬變電磁法的發(fā)展和應(yīng)用前景[3]。劉志新、劉樹才等人對(duì)瞬變電磁法的資料解釋方法和精度提高方法進(jìn)行了研究，在物理模型的基礎(chǔ)上對(duì)井下異常水體的響應(yīng)特證進(jìn)行了分析[4]。本文采用瞬變電磁法對(duì)2-216工作面上部的1-113工作面的老空區(qū)水進(jìn)行探測(cè)，得到異常含水區(qū)域的相關(guān)位置，為后續(xù)治理提供了可靠依據(jù)。

1 工程背景

辛置煤礦310水平二采區(qū)的2-216工作面開采2#煤層。煤層厚度為3.8～4.3 m，傾角為9°，所處標(biāo)高為+208～+228 m，正上方地面標(biāo)高為+628～+716 m。地表主體為山谷溝壑，存在部分陡坎，排水渠道通暢，無法形成積水區(qū)。但在2-216工作面回采階段發(fā)現(xiàn)煤幫出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，且隨著回采向前推進(jìn)淋水有增大趨勢(shì)。經(jīng)過分析，可能是回采產(chǎn)生的采動(dòng)壓力形成了一定的裂隙，導(dǎo)通頂板上覆砂巖裂隙水或1#煤層的1-113工作面采空區(qū)積水。工作面頂板特征見表1，頂板巖性較為堅(jiān)硬，厚度為10.2 m。2-216上覆砂巖裂隙水，含水性微弱，對(duì)工作面回采影響較?。?該面上方存在開采1#煤層的1-113工作面采空區(qū)，其空間關(guān)系見圖1，可能積有老空水，必須采取相應(yīng)的探測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行探明，以保證后續(xù)治理措施的制定，從而保證工作面安全回采。

圖1 上下工作面空間關(guān)系

2 瞬變電磁法探測(cè)

當(dāng)前，對(duì)上覆采空區(qū)積水探測(cè)的方法主要有瞬變電磁法、磁共振探測(cè)、直流電探測(cè)法、地震反射波法等。其中瞬變電磁法應(yīng)用較為廣泛，對(duì)地層中含水性解釋效果良好，為此本次探測(cè)采用瞬變電磁法。

2.1 布置方案及設(shè)置參數(shù)

瞬變電磁法是以不同介質(zhì)間電性的差異為基礎(chǔ)，通過接受到感應(yīng)電流并據(jù)此反演推出地層情況。2-216工作面整體為單斜構(gòu)造，為了防范受到構(gòu)造的影響，測(cè)線采用東西走向方向布置，勘探網(wǎng)格線距為40 m，點(diǎn)距為20 m；在1-113采空區(qū)正對(duì)地層上方布置4組間隔100 m的測(cè)點(diǎn)。具體布置見圖2，瞬變電相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

圖2 瞬變電磁及直流電布置

表2 瞬變電磁法設(shè)置參數(shù)

2.2 探測(cè)結(jié)果及分析

瞬變電磁探測(cè)易受探測(cè)點(diǎn)四周高壓線及房屋建筑的影響，為此數(shù)據(jù)處理顯得尤為重要。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，將數(shù)據(jù)中明顯不符合共性特征的直接刪除，本次探測(cè)主體為2#煤層上部采空區(qū)及頂板，探測(cè)結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果

圖3為2#煤層頂板電阻率切片處理結(jié)果圖。從圖中可以看出藍(lán)色區(qū)域電阻率較低，可能為含水異常區(qū)域。對(duì)圖3含水異常區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，得到圖4上部采空區(qū)含水區(qū)域圖。從圖中可以看出A1、A2-1、A2-2、A4-1、A4-2、A4-3、A5、A6為主要異常區(qū)域，其中強(qiáng)含水異常區(qū)有A1、A2-1、A4-2、A6，中等含水異常區(qū)有A2-2、A4-3、A5，弱含水區(qū)域有A4-1。其中A1、A6附近存在高壓線，結(jié)果可靠性較低。圖5為44線瞬變電磁多測(cè)道曲線，觀察圖中曲線整體上存在高低起伏，較為明顯的為1、2、4號(hào)區(qū)域，說明這些區(qū)域?yàn)榈妥韬畢^(qū)域或者為高阻構(gòu)造裂隙區(qū)域。其中1號(hào)區(qū)域曲線變形嚴(yán)重，感應(yīng)電壓最大相差860 nv/A，2號(hào)區(qū)域及4號(hào)區(qū)域起伏相比其他區(qū)域較為明顯，呈現(xiàn)“U”“V”形狀。1號(hào)區(qū)域變化與其他區(qū)域存在明顯不同的特征，所以1號(hào)區(qū)域結(jié)果可靠性較低。

圖4 2#煤層上部采空區(qū)含水異常區(qū)分布

圖5 44線瞬變電磁多測(cè)道曲線

圖6是根據(jù)電阻率值之間的差異得到的擬斷面圖。觀察2#煤層電阻率等值線可以發(fā)現(xiàn),在1、2、4號(hào)區(qū)域變化較大，分別位于20～200樁號(hào)，450～550樁號(hào)和1000～1050樁號(hào)之間，這些區(qū)域電阻率值異常增大，變化明顯；結(jié)合圖3中電阻率切片處理結(jié)果可以得出：A2-1、A4-2含水異常。造成異常原因?yàn)?#煤層采空區(qū)積水或者頂板砂巖裂隙帶含水引起。已知2#煤層頂板砂巖裂隙水含水性微弱，所以判斷為上覆采空區(qū)積水。另外圖中淺紅色區(qū)域在空間上表現(xiàn)參差不齊，可能為裂隙帶不含水區(qū)域，而實(shí)際情況巖層分布同樣不均勻，表明淺紅色區(qū)域?yàn)榱严恫缓畢^(qū)域。

圖6 2#煤層視電阻率擬斷面

綜上分析,上覆1#煤層采空區(qū)內(nèi)含水異常區(qū)域主要為A2-1、A4-2。從電阻率擬斷面圖和瞬變電磁多測(cè)道曲線圖可以看出，2號(hào)、4號(hào)區(qū)域含水異常，兩者結(jié)果相符合，表明了瞬變電磁探測(cè)的合理性。造成含水異常的原因?yàn)樯细膊煽諈^(qū)積水。2-216工作面頂板淋水是因?yàn)椴蓜?dòng)導(dǎo)致裂隙帶導(dǎo)水，導(dǎo)通上覆采空區(qū)積水而引起的。由于2-216工作面頂板距離1-113工作面采空區(qū)較近，覆巖整體結(jié)構(gòu)受到采動(dòng)影響而強(qiáng)度降低，導(dǎo)水裂隙帶與上覆采空區(qū)連通,導(dǎo)致工作面頂板淋水甚至可能發(fā)生突水事故。瞬變電磁法的有效探測(cè)除2#煤層上覆采空區(qū)異常含水區(qū)域外，還發(fā)現(xiàn)頂板上部存在裂隙帶，為此必須對(duì)存在積水區(qū)域采取嚴(yán)格的探放水措施，以免釀成事故。

3 探放水治理

3.1 治理措施

結(jié)合2-216工作面相關(guān)參數(shù)，在工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置鉆孔3個(gè)，分別為Z01、Z02、Z03，鉆孔間距15 m，選用鉆頭96 mm。為保證鉆機(jī)機(jī)身的穩(wěn)固和方便鉆孔的施工，保證放水孔有較好的放水效果，減少堵孔塞孔現(xiàn)象，終孔層位應(yīng)避開巷道，且終孔點(diǎn)設(shè)計(jì)在采空區(qū)原頂板向下1.5～2 m處。施工用ZDY-4000LD鉆機(jī)，安裝孔口管直徑150 mm，壓力水排渣法鉆進(jìn)10.5 m后，起出鉆桿，下10 m、D150 mm的套管，并采用專用封孔器壓風(fēng)吹水泥漿法封孔10 m，進(jìn)行固管。鉆孔布置平面見圖7，鉆孔結(jié)構(gòu)見圖8。

圖7 鉆孔布置平面

圖8 鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2 治理效果

實(shí)施鉆孔探防水后，鉆孔最大開放水量為589.87 m3/h，較正常放水量多176.99 m3/h，探放期間排水穩(wěn)定，每日放水量超過8 000 m3。其中Z01鉆孔探放水量為22 000 m3，單日最大排水量為7 931 m3左右；Z02鉆孔探放水量為26 000 m3左右，單日最大排水量為8 064 m3；Z03鉆孔探放水量最大為28 000 m3，單日最大排水量為8 204 m3。已知礦方主水泵房安裝有5臺(tái)D450-60×4型水泵，水泵額定排水能力為450 m3/h，已知最大涌水量為589.87 m3/h，啟用兩臺(tái)水泵可滿足需求。放水時(shí)間持續(xù)9d，共排水超過76 000 m3，最終確保2-216工作面不受1-113工作面老空區(qū)積水的影響，安全穩(wěn)定回采。

4 結(jié)語

1）2#煤層上覆煤層采空區(qū)內(nèi)含水異常區(qū)域主要為A2-1、A4-2，從電阻率擬斷面圖和瞬變電磁多測(cè)道曲線圖上可以看出2號(hào)、4號(hào)區(qū)域含水異常。

2）含水異常的原因?yàn)樯细?-113工作面1#煤層采空區(qū)積水，2-216工作面淋水原因?yàn)椴蓜?dòng)產(chǎn)生的頂板導(dǎo)水裂隙帶與上覆采空區(qū)導(dǎo)通所致。

3）采用3個(gè)鉆孔對(duì)老空區(qū)積水進(jìn)行排放，礦井正常涌水量約為412.88 m3/h時(shí)，鉆孔最大涌水量約589.87 m3/h，啟用兩臺(tái)泵排水，能夠保證在220 h左右排干1-113工作面老空區(qū)積水；放水時(shí)間9d，總排水量超過76 000 m3，最終確保2-216工作面不受1-113工作面老空區(qū)積水的影響，安全穩(wěn)定回采。