孫允聰，張婷婷，張宏偉，陳鎣，朱志潔

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650302；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新市 123000)

陽灣溝煤礦6203 工作面6 號(hào)煤層上覆先采采空區(qū)積水，為保證安全開采，應(yīng)用EH-4 地球物理勘探方法在地表進(jìn)行了采空區(qū)探測(cè)，查明采空區(qū)范圍，推測(cè)出采空區(qū)積水的流向和區(qū)域，為探放水鉆孔的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并根據(jù)煤層厚度變化趨勢(shì)采取合適的探放水方法，在煤層底板標(biāo)高較低的區(qū)域采取超前探放水和一次探放水，隨煤層底板標(biāo)高的升高采取分段探放水[1]。綜合前人采空區(qū)探測(cè)經(jīng)驗(yàn)與采空區(qū)探放水實(shí)踐，從現(xiàn)場(chǎng)放出的采空區(qū)積水來看，應(yīng)用EH-4 采空區(qū)探測(cè)和采取的探放水方案是行之有效的。

1 采空區(qū)地表EH-4 探測(cè)

陽灣溝煤礦6203 工作面6 號(hào)煤層位于太原組上部，煤層厚度為12.22～19.76 m，平均16.89 m，總趨勢(shì)由北往南、從東到西逐漸增厚。礦井現(xiàn)在生產(chǎn)時(shí)正常涌水量為10～15 m3/d，確定礦井正常涌水量為30 m3/d，最大涌水量為60 m3/d。井田水文地質(zhì)類型劃分為第二類第一型，即以裂隙充水含水層為主的水文地質(zhì)條件簡單型。采空區(qū)積水水源可分為3 部分：排到地表的礦井水中的一部分滲入采空區(qū)，其量為礦井生產(chǎn)期間排到地表的水量減去現(xiàn)地表存積水量，即為滲入到地下采空區(qū)的水量；上覆巖層裂隙水涌入采空區(qū)；降雨降雪的滲流補(bǔ)給。

工作面采用2 條巷道布置方式，回風(fēng)巷擔(dān)負(fù)工作面輔助材料運(yùn)輸，兼回風(fēng)；運(yùn)輸巷擔(dān)負(fù)工作面煤炭運(yùn)輸，兼進(jìn)風(fēng)。6203 工作面采用綜采放頂煤一次采全煤回采工藝，各巷道均為沿煤層底板掘進(jìn)。6203 工作面運(yùn)輸順槽已施工完畢，在切眼、回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中要進(jìn)行積極的探放水。工作面布置如圖1 所示。

EH-4 通過發(fā)射和接收地面電磁波來達(dá)到電阻率或電導(dǎo)率的探測(cè)[1?2]。連續(xù)的測(cè)深點(diǎn)陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像，具有較高的分辨率和較深勘探深度，勘探深度在1000 m以上[3?4]，是煤田水文地質(zhì)勘探的首選方法[5?9]。

1.1 地表測(cè)線布置與EH-4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方案

本次野外探測(cè)共布置了3 條測(cè)線，如圖1 所示，其中1#測(cè)線方位為NE28°，長度為140 m，極距為20 m，共8 個(gè)測(cè)點(diǎn)；2#測(cè)線方位為NE29°，極距為20 m，長度為160 m，共9 個(gè)測(cè)點(diǎn)；3#測(cè)線方位為NE81°，長度為90 m，極距為10 m，共10 個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)原6203 采空區(qū)。為能準(zhǔn)確確定采空區(qū)的形態(tài)與屬性，測(cè)線長度盡可能覆蓋采空區(qū)的范圍，3#測(cè)線由于地形限制，地表障礙物較多，長度不足，不能滿足精度要求。所以最終有效測(cè)線為1#測(cè)線和2#測(cè)線。

圖1 工作面與地表EH-4 測(cè)線布置

在滿足探測(cè)目的的前提下，兼顧現(xiàn)場(chǎng)方案實(shí)施的方便性和可操作性，對(duì)采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地面區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地考察，將測(cè)線盡量布置在地形平緩的區(qū)域，減少地形對(duì)探測(cè)精度的影響。

對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量不好的測(cè)點(diǎn)采取多次疊加或是重復(fù)測(cè)量，目的是確保采集數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，能夠準(zhǔn)確反映地下圍巖體電阻率的變化情況，為后期的數(shù)據(jù)處理與圖像解譯奠定基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，此次采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量合格率為90%～95%，滿足探測(cè)精度的要求。

1.2 EH-4 采空區(qū)探測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)2 條有效測(cè)線進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和分析，如圖2 所示。將測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)、水文及鉆探資料，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論。

1#測(cè)線探測(cè)區(qū)域?yàn)樵?201 工作面采空區(qū)，采高約16 m，面積約7200 m2，測(cè)線長度為140 m，從20 m 測(cè)點(diǎn)開始進(jìn)入采空區(qū)。從圖2 可以看出，在水平方向0～140 m，標(biāo)高+1060～+1180 m 之間有高阻異常區(qū)（圖2（c）中紅色虛線所示），煤層上方50 m 范圍內(nèi)電阻率等值線稀疏，且煤層處有高阻閉合圈，說明在此范圍內(nèi)巖層垮落后，巖塊相互鉸接支撐，形成了較大的未被填實(shí)的空間，使該范圍的電阻率值最大。煤層上方50～100 m 范圍內(nèi)雖電阻率值較高，但等值線分布較為密集，推斷該范圍為工作面上覆巖層形成的裂隙區(qū)且已被壓實(shí)。異常區(qū)域范圍與采空區(qū)范圍基本吻合，推斷此高阻異常區(qū)為工作面開采后形成的垮落帶與裂隙帶，影響高度約120 m，由電阻率值判斷沿測(cè)線方向上采空區(qū)內(nèi)沒有積水。

2#測(cè)線探測(cè)區(qū)域?yàn)樵?202 工作面采空區(qū)，采高約16 m，面積約8800 m2，測(cè)線長度為160 m，從40 m 測(cè)點(diǎn)開始進(jìn)入采空區(qū)。從圖2（d）可以看出，在水平方向80～160 m，標(biāo)高+1060～+1200 m之間有一高阻異常區(qū)（圖中紅色虛線所示），煤層上方60 m 范圍內(nèi)電阻率等值線稀疏，且煤層處有高阻閉合圈，說明在此范圍內(nèi)巖層垮落后，巖塊相互鉸接支撐，形成了較大的未被填實(shí)的空間，使該處的電阻率值最大。煤層上方60～120 m 范圍內(nèi)雖電阻率值較高，但等值線分布較為密集，推斷該范圍為工作面上覆巖層形成的裂隙區(qū)且已被壓實(shí)。異常區(qū)域范圍與采空區(qū)范圍基本吻合，推斷此高阻異常區(qū)為工作面開采后形成的垮落帶與裂隙帶，影響高度約140 m，由電阻率值判斷沿測(cè)線方向上采空區(qū)內(nèi)沒有積水。

圖2 1#、2#測(cè)線對(duì)應(yīng)的煤層底板形態(tài)與大地電阻率二維反演圖

1.3 6203 采空區(qū)積水地質(zhì)條件分析

本區(qū)煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組，巖性由砂巖、泥巖、黏土巖、砂質(zhì)泥巖、煤層等組成，各巖層不同程度發(fā)育有裂隙，尚有一定的充水空間。但區(qū)內(nèi)各煤層直接充水含水層富水性弱（單位涌水量q<0.1 L/（s·m）），其補(bǔ)給來源以貧乏的大氣降水為主。

由于本區(qū)沖溝發(fā)育，地形及溝底坡度大，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量小且高度集中，地表大部被厚層黃土覆蓋，黃土滲透性能差，基巖裂隙雖然比較發(fā)育，但其出露面積小，故大氣降水易形成洪水迅速排出區(qū)外，能滲入到地下是其一小部分；側(cè)向徑流補(bǔ)給受含水層導(dǎo)水性限制，補(bǔ)給量不足。上述因素均不利于礦床充水，是造成本區(qū)含煤地層地下水位深、涌水量小的主要原因。煤系地層的沉積基底—奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r富水性弱，涌水量小，沒有斷層構(gòu)成地下水通道；本區(qū)與黃河相距較遠(yuǎn)，石炭系上統(tǒng)本溪組底部發(fā)育有隔水的黏土巖，黃河水不易經(jīng)奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r補(bǔ)給煤系地層。據(jù)此將井田水文地質(zhì)類型劃分為以裂隙充水含水層為主的水文地質(zhì)條件簡單型。

陽灣溝煤礦生產(chǎn)期間，礦井水排出囤積于靠近采空區(qū)的地表低洼區(qū)。所以，分析采空區(qū)積水水源為：排到地表的礦井水中的一部分滲入采空區(qū)，其量為礦井生產(chǎn)期間排到地表的水量減去現(xiàn)地表存積水量，即為滲入到地下采空區(qū)的水量；上覆巖層裂隙水涌入采空區(qū)；降雨降雪的滲流補(bǔ)給。

采空區(qū)老塘水多以靜儲(chǔ)量為主，就像是一個(gè)個(gè)地下水庫，若發(fā)生突水，在短時(shí)間內(nèi)有大量積水、煤泥涌出，來勢(shì)兇猛，破壞性很強(qiáng)。

陽灣溝煤礦即將開采的6203 工作面在6 煤層底板向上5 m 的夾矸層布置，周圍有房采采空區(qū)，采空區(qū)中可能有積水。6203 工作面切眼上方，靠近井田邊界側(cè)的采空區(qū)標(biāo)高較低，預(yù)計(jì)有的采空區(qū)內(nèi)有積水。為了安全開采6203 工作面，6203 工作面在掘進(jìn)和回采前，需對(duì)上方采空區(qū)進(jìn)行探放水工作。

2 地下采空區(qū)探放水方案

根據(jù)已查明采空區(qū)范圍和煤層厚度變化趨勢(shì)，制定探水方案：開切眼為6203 區(qū)標(biāo)高最低處，在此處采取超前探放水和一次探放水，如果不能把積水全部放出，回風(fēng)順槽隨煤層底板標(biāo)高的升高可采取分段探放水。沿開切眼掘進(jìn)，布置探水孔，掘到警戒線后，布置第一個(gè)鉆場(chǎng)，隨著水位的下降，沿開切眼每掘25 m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)3個(gè)孔，鉆孔孔徑65 mm 左右。鉆孔呈扇形布置，全部控制上部采空區(qū)，一個(gè)方位布置3 個(gè)鉆孔，鉆孔開孔孔口間距和排距不小于0.5 m。終孔控制積水區(qū)下部、中部和上部，下部鉆孔終孔位置一般為采空區(qū)底部浮煤上部。鉆孔設(shè)計(jì)深度60～90 m（見圖3）。

圖3 6203 采空區(qū)開切眼探水鉆孔布置

放水方案設(shè)計(jì)依據(jù)水文地質(zhì)規(guī)程要求、采區(qū)地質(zhì)條件、空區(qū)積水高度等[10?11]：放水鉆孔的直徑一般為50～75 mm，孔口設(shè)有法蘭盤，套管采用水泥漿固管，48 h 后掃孔并做打壓實(shí)驗(yàn)，壓力不低于2 MPa，穩(wěn)定30 min 檢測(cè)達(dá)不到質(zhì)量要求者需重新固管，孔口管及套管的外露長度≤300 mm；鉆孔過程中尤其是達(dá)到終孔設(shè)計(jì)位置3 m 時(shí)，有專人及時(shí)檢查鉆孔內(nèi)的瓦斯和其他有害氣體濃度并作好記錄，濃度超限時(shí)必須停止鉆進(jìn)，進(jìn)行處理，要始終控制在正常值以內(nèi)；探放水與掘進(jìn)施工采取先探后掘的原則，1 次施工疏放1 處上覆采空區(qū)積水，待此處采空區(qū)積水全部疏放再施工下一處放水孔；放水鉆孔落孔點(diǎn)應(yīng)位于采空區(qū)最低洼處。

3 結(jié)論

（1）EH-4 采空區(qū)探測(cè)對(duì)含水、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻體反應(yīng)敏感，而不含水的采空區(qū)大多是高阻，所以可較為準(zhǔn)確地圈出含水構(gòu)造和積水采空區(qū)的邊界和范圍，以及不含水采空區(qū)的界限[12?13]。

（2）探測(cè)結(jié)果解譯是建立在多項(xiàng)數(shù)據(jù)處理后的圖像分析基礎(chǔ)上，研究電磁場(chǎng)在大地中的空間分布特征及規(guī)律，并利用這些特征與規(guī)律識(shí)別大地的電性結(jié)構(gòu)，推斷異常形態(tài)、部位、產(chǎn)狀等，定性劃分地層，圈定不良地質(zhì)體的發(fā)育區(qū)等，解譯過程中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、水文及鉆探資料，以提高解譯的準(zhǔn)確性[14?16]。

（3）根據(jù)探測(cè)結(jié)果推斷6203 房采采空區(qū)存在老空積水，據(jù)此合理設(shè)計(jì)探放水方案，在6203 開切眼布置3 組鉆場(chǎng)，進(jìn)行超前探放水，探50 m 掘30 m 保證鉆孔超前距不少于20 m，并在第二組鉆場(chǎng)中7 天內(nèi)放出老空積水1000 m3，積水有持續(xù)放出的趨勢(shì)，驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果。