程 帥

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037037)

1 工程概況

燕子山煤礦8202工作面地面位于小蒜溝村保護(hù)煤柱以北，馬脊梁溝以西的山梁地帶，地面有少量楊樹(shù)，埋深377～512/445 m.雨季時(shí)有少量積水，地面水體、建筑物對(duì)采掘作業(yè)施工無(wú)影響。8202工作面井下位于4號(hào)層302盤(pán)區(qū)，工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度穩(wěn)定，煤層有益厚度為5.12～9.34 m，有7～9層0.12～1.18 m的夾石，工作面對(duì)應(yīng)上覆11號(hào)、14-2號(hào)、14-3號(hào)煤層采空區(qū)，結(jié)合礦區(qū)相似工作面生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工作面回采期間上覆采空區(qū)積水或?qū)⑼ㄟ^(guò)封閉質(zhì)量不佳的鉆孔涌入工作面，危險(xiǎn)工作面的安全生產(chǎn)，為掌握上覆采空區(qū)富水情況，保障工作面的安全生產(chǎn)，擬通過(guò)井上下瞬變電磁資料解釋方法掌握上覆采空區(qū)富水情況，并設(shè)計(jì)合理的防治措施。

2 上覆采空積水位置探測(cè)可行性分析

燕子山煤礦8202工作面上覆可采煤層主要有11號(hào)、14-2號(hào)及14-3號(hào)煤層，結(jié)合以往采掘工程布置情況得知，8208工作面上覆三層煤層基本均已采空，與14-3號(hào)煤層采空區(qū)間垂直距離約為168 m，14-3號(hào)煤層厚度為1.12～3.98 m，均厚2.79 m，14-3號(hào)煤層與14-2號(hào)煤層層間距約為8 m，14-3號(hào)煤層開(kāi)采將通過(guò)垮落帶裂隙帶與上覆14-2號(hào)煤層采空區(qū)聯(lián)通；14-2號(hào)煤層厚度3.65～3.89 m，均厚2.96 m，與上覆11號(hào)煤層平均層間距為25.7 m，14-2號(hào)、14-3號(hào)煤層均開(kāi)采后，同樣有可能通過(guò)垮落帶和裂隙帶與上覆11號(hào)煤層采空區(qū)聯(lián)通。采空區(qū)上覆巖層破碎垮落后，巖性疏松，整體密度變小，垮落帶內(nèi)裂縫、裂隙異常發(fā)育，相對(duì)于正常地層層位存在一定程度紊亂的現(xiàn)象，局部甚至形成較小的空洞，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的電阻率上升；裂隙帶內(nèi)巖層的巖層變化不是很明顯，但其裂隙發(fā)育程度相對(duì)于原地層較高，裂隙導(dǎo)致該部分巖層的導(dǎo)電性變?nèi)?，視電阻率升高[1-2]。采空區(qū)積水一般位于最下方煤層采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)采空區(qū)垮落帶、裂隙帶內(nèi)積水時(shí)，該區(qū)域的電阻率將明顯降低，綜上可知，燕子山煤礦8202工作面上覆采空區(qū)具備良好的瞬變電磁法勘探條件。

3 探測(cè)方法及工程布置

本次勘察的主要任務(wù)是查明8202工作面上覆三組煤采空區(qū)內(nèi)積水的情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果[3-4]，瞬變電磁法對(duì)于高阻結(jié)構(gòu)體穿透力強(qiáng)，對(duì)于富水低阻結(jié)構(gòu)體反應(yīng)靈敏，但是當(dāng)進(jìn)行多層采空區(qū)的勘探時(shí)，地面瞬變電磁響應(yīng)在第一層采空區(qū)積水影響下將變得很微弱，對(duì)于下部第二層、第三層采空區(qū)的探測(cè)結(jié)果精確程度將有所下降，此時(shí)可通過(guò)在井下回采巷道對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，可避免首層采空區(qū)的低阻屏蔽效益，若想實(shí)現(xiàn)井上井下對(duì)于同一目標(biāo)層位的勘探，需要保證井上井下探測(cè)位置的統(tǒng)一性。

本次勘探井下測(cè)點(diǎn)、測(cè)線布置在8202工作面的回采巷道內(nèi)，地面測(cè)點(diǎn)根據(jù)井下測(cè)點(diǎn)至勘探對(duì)應(yīng)位置的地面投影點(diǎn)進(jìn)行布置，井下瞬變電磁勘探可以多角度進(jìn)行探測(cè)，因此地面測(cè)線沿工作面推進(jìn)方向平行布置，并向工作面兩側(cè)延伸，確保井上、井下探測(cè)的目標(biāo)層位一致。井下探測(cè)裝置在兩個(gè)巷道內(nèi)接收信號(hào)，為確保探測(cè)距離不超出儀器的極限，需對(duì)井下探測(cè)的角度進(jìn)行分析，本次所有儀器的最大探測(cè)距離為200 m，因此設(shè)計(jì)探測(cè)的角度α為-60°、-75°、0°、75°、60°，計(jì)算可知探測(cè)的最遠(yuǎn)距離為185 m，在儀器允許的探測(cè)范圍內(nèi)。為盡量避免回采巷道內(nèi)材料車(chē)、膠帶機(jī)等金屬設(shè)備對(duì)于信號(hào)的干擾，井下測(cè)點(diǎn)選擇在干擾物相對(duì)較少的巷段，回風(fēng)巷內(nèi)測(cè)點(diǎn)及測(cè)線布置在采位線600～1 000 m，運(yùn)輸巷布置在采位線1 000～1 600 m，井下瞬變電磁測(cè)點(diǎn)間距為10 m，采用多匝重疊回線采集數(shù)據(jù)，線圈采用邊長(zhǎng)1.5 m的正方形，發(fā)射頻率為6.25 Hz，疊加30次。井上地面測(cè)點(diǎn)的間距為10 m，平行測(cè)線間的距離為20 m，采用發(fā)射線框邊長(zhǎng)300 m的大定源回線裝置，發(fā)射頻率為25 Hz，在中部邊長(zhǎng)三分之一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接收線圈等效接收面積100 m2，8202工作面井上下瞬變電磁測(cè)點(diǎn)、測(cè)線布置原理如圖1所示。

3.1 地面瞬變電磁法

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的處理，得到上覆采空區(qū)不同層位的視電阻平面圖如圖2所示，各煤層采空區(qū)的視電阻率等值線數(shù)值為70～140 Ω·m，局部存在明顯的低阻異常區(qū)，低阻區(qū)內(nèi)視電阻率為70～90 Ω·m，低阻區(qū)的水平投影形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則型，三個(gè)煤層層位出現(xiàn)低阻異常區(qū)的位置基本一致，這三處低阻區(qū)很可能為相應(yīng)煤層采空區(qū)積水區(qū)。

圖2 各采空區(qū)層位視電阻率平面圖

3.2 井下瞬變電磁法

選取頂板垂直方向視電阻率斷面圖,如圖3所示，距巷道頂板0～45 m范圍內(nèi)視電阻率為40～100 Ω·m，頂板探測(cè)區(qū)域的中部和遠(yuǎn)處視電阻率為0～60 Ω·m，存在不同高度和形狀的低阻異常區(qū)，點(diǎn)號(hào)13號(hào)～17號(hào)之間的條帶狀低阻異常區(qū)是由于數(shù)據(jù)采集時(shí)巷道內(nèi)存在大量的鐵器干擾所致；點(diǎn)號(hào)21號(hào)～23號(hào)之間頂板存在低阻異常區(qū)是由于頂板懸掛的隔爆水袋影響所致；上覆三層煤采空區(qū)層位為160～170 m，該層位在點(diǎn)號(hào)1號(hào)～2號(hào)、22號(hào)～23號(hào)、37號(hào)～41號(hào)、49號(hào)～54號(hào)存在的低阻異常區(qū)可能由于采空區(qū)積水所導(dǎo)致。

4 瞬變電磁資料和鉆探資料聯(lián)合解釋

依據(jù)井上下瞬變電磁勘探結(jié)果，并結(jié)合上覆11號(hào)、14-2號(hào)、14-3號(hào)煤層采掘工程平面圖，可確定各煤層采空區(qū)低阻異常區(qū)與巷道的相對(duì)位置如圖4所示。上覆采空區(qū)內(nèi)共存在三個(gè)明顯的低阻異常區(qū)，JS-1處14-3號(hào)煤層已采空，且上覆14-2號(hào)、11號(hào)煤層采空區(qū)通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶與其聯(lián)通，該區(qū)域可判定為14-3號(hào)煤層采空區(qū)積水區(qū)域；JS-2、JS-3區(qū)域14-3號(hào)煤層未進(jìn)行采掘，則可判定該區(qū)域?yàn)?4-2號(hào)煤層采空區(qū)積水區(qū)域。對(duì)上覆積水異常區(qū)進(jìn)行鉆探施工，終孔層位均為14-2號(hào)煤層，JS-1區(qū)域施工8202-2號(hào)探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水13 500 m3，JS-2區(qū)域施工8202-5號(hào)探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水15 600 m3，JS-3區(qū)域施工8202-5號(hào)探放水鉆孔，施工8202-9號(hào)探放水鉆孔，共疏放采空區(qū)積水8 000 m3，驗(yàn)證了井上下瞬變電磁法勘探結(jié)果的真實(shí)可靠性，同時(shí)解除了工作面回采期間的充水威脅。

圖3 頂板垂直方向視電阻率變化規(guī)律

圖4 解釋成果及采掘工程示意

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)燕子山煤礦8202工作面上覆煤層采空區(qū)開(kāi)采、地質(zhì)條件等分析討論，確定上覆采空區(qū)積水進(jìn)行勘探的可行性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)地面、井下瞬變電磁法聯(lián)合探測(cè)技術(shù)，地面瞬變電磁法探測(cè)多層采空區(qū)時(shí)存在首層采空區(qū)“低阻屏蔽”效應(yīng)，井下瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)易受到井下鐵器設(shè)備干擾，通過(guò)地面、井下瞬變電磁法成果聯(lián)合解釋可成功彌補(bǔ)彼此的不足，提高探測(cè)的精度，通過(guò)實(shí)地探測(cè)確定8202工作面上覆采空內(nèi)的低阻異常區(qū)，通過(guò)施工鉆孔驗(yàn)證勘探結(jié)果并對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，表明井上下瞬變電磁法勘探具有更高的精度，同時(shí)解除了工作面回采期間的充水威脅。