劉 飛

(陜西建新煤化有限責(zé)任公司，陜西 延安 727300)

0 引言

黃隴礦區(qū)建新煤礦4-2煤層頂板與侏羅系直羅組底板距離為41～43 m，位于垮落帶范圍內(nèi)，煤層上覆“小街砂巖”和直羅砂巖可能存在富水異常區(qū)及膠結(jié)不良地質(zhì)體，工作面回采期間有可能造成涌水量較大和“潰水潰砂”災(zāi)害。工作面煤層頂板到洛河組含水層距離僅有157～167 m，煤層回采后的導(dǎo)水裂隙帶可以直接波及該含水層，雖然以往工作面洛河組含水層水害問(wèn)題不突出，但由于該含水層厚度大、富水性空間分布不均，現(xiàn)有資料不能準(zhǔn)確反映4207工作面洛河組含水層富水性情況，無(wú)法評(píng)估其對(duì)工作面回采的水害威脅程度。因此，工作面回采前需要對(duì)工作面頂板富水性及富水積聚區(qū)進(jìn)行探測(cè)，尋找靶區(qū)，直流電法測(cè)深將電極布置在巷道順槽的頂板，通過(guò)多個(gè)礦區(qū)驗(yàn)證該方法對(duì)頂板巨厚砂巖層富水性反映良好。

1 礦井直流電法高分辨測(cè)深原理

直流電法測(cè)深法是研究深度方向地層電性變化規(guī)律，從而獲得深度方向地層各種地質(zhì)信息的一種物探方法。它是在同一點(diǎn)逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸變大，于是可以觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)處沿深度方向由淺到深地層的變化特征，來(lái)研究電性分層和水文地質(zhì)問(wèn)題[13]。礦井直流電法測(cè)深屬常規(guī)直流電法，井下實(shí)測(cè)的主要是電壓(V)、電流(I)。

2 探測(cè)技術(shù)

基于礦井巷道實(shí)際條件、結(jié)合施工效率及探測(cè)精度，通常采用三極測(cè)深法進(jìn)行施工[46]。探測(cè)時(shí)在頂板上相對(duì)固定測(cè)量電極M、N，由近及遠(yuǎn)地移動(dòng)供電電極A，達(dá)到由淺到深的目的[78]。礦井直流電法高分辨探測(cè)是在工作面形成后，在工作面的順槽進(jìn)行施工，如圖1所示。

圖1 礦井直流電測(cè)深施工示意Fig.1 Mine direct current sounding construction diagram

井下采集的第一手資料是反映巖石電性特征的視電阻率(單位：Ω·m)，使用礦井高分辨電測(cè)深專用軟件對(duì)井下采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋[910]，經(jīng)過(guò)系列處理后，繪制成所需要的各種定性圖件和定量圖件。如視電阻率等值線斷面圖、低阻異常地質(zhì)解釋等值線斷面圖、平面圖[11]。

3 數(shù)值模擬

通過(guò)直流電三維有限元反演軟件 RES2DINV，設(shè)置了巷道高、寬均為5 m，在巷道上到頂板上方設(shè)置邊長(zhǎng)為20 m，電阻是10 Ω·m的正方體地質(zhì)異常體(模型一)，該模型最近距離巷道頂板120 m，在巷道上到頂板上方設(shè)置邊長(zhǎng)為30 m，電阻是5 Ω·m的正方體地質(zhì)異常體(模型二)，該模型最近距離巷道頂板90 m，圍巖的電阻100 Ω·m，其中巷道電阻設(shè)置為10 000 Ω·m，如圖2所示，采用MNB三極測(cè)深裝置，MN間距4 m，等間隔4 m跑極進(jìn)行測(cè)量，探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 低阻異常理論模型Fig.2 Low-resistance anomaly theoretical model

圖3為巷道頂板探測(cè)后的視電阻率等值線斷面圖，圖中發(fā)現(xiàn)有兩處相對(duì)明顯的低阻異常區(qū)，依次編號(hào)為①號(hào)和②號(hào)異常區(qū)。其中①號(hào)異常主要分布在沿探測(cè)方向20～40 m范圍、探測(cè)深度120～150 m范圍，該視電阻率低阻異常區(qū)與設(shè)置的模型一范圍基本一致；②號(hào)異常主要分布在沿探測(cè)方向125～155 m范圍、探測(cè)深度90～150 m范圍，該視電阻率低阻異常區(qū)與設(shè)置的模型二范圍基本一致。但通過(guò)仔細(xì)對(duì)比設(shè)置模型和數(shù)值模擬結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)在前部未探測(cè)到低阻異常時(shí)視電阻率等值線呈現(xiàn)均勻變小趨勢(shì)，在0～80 m深度，2個(gè)異常體附近視電阻率等值線都是140～102 Ω·m均勻變化，在模型二設(shè)置的電阻值更小，其等值線較模型一變化更加劇烈，也說(shuō)明電阻越小對(duì)電流的吸引越明顯。

圖3 頂板探測(cè)視電阻率等值線斷面圖Fig.3 Cross-sectional view of the contour of apparent resistivity detected by the roof

通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬與設(shè)置的模型空間位置后發(fā)現(xiàn)，在橫向上吻合度較縱向上高，這也證明了直流電法測(cè)深法的一個(gè)特點(diǎn)。同時(shí)，直流電法能夠有效區(qū)分出2個(gè)鄰近的、阻值不同的地質(zhì)異常模型，其探測(cè)精度較高。

4 應(yīng)用實(shí)例

建新礦區(qū)位于陜西省重要煤產(chǎn)地焦坪—店頭礦區(qū)的交接地段，4207工作面位于42盤區(qū)西翼，工作面呈西南—東北方向布置，其西為4205工作面(未開(kāi)采)，東界為4209工作面(未開(kāi)采)，南界為4-2煤層可采邊界，北界為42盤區(qū)巷道保護(hù)煤柱。鉆孔資料揭露工作面頂板上約40 m為延安組裂隙含水層，為4號(hào)煤層頂板直接充水含水層，延安組往上約100～112 m為直羅組下部孔隙裂隙含水層，為頂板間接含水層，約157～167 m往上為洛河組砂巖裂隙孔隙含水層，為頂板上間接含水層。根據(jù)水文勘探成果顯示工作面回采時(shí)頂板涌水的主要水源為直羅組下部孔隙含水層，該含水層對(duì)工作面回采影響較大，為了防止類似銅川礦區(qū)照金煤礦“4·25”透水事故的發(fā)生，采用高分辨直流電法技術(shù)對(duì)工作面頂板巖層的富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，為后期工作面安全回采提供參考資料。

通過(guò)兩順槽地質(zhì)揭露，4207工作面煤層賦存穩(wěn)定，運(yùn)輸順槽在掘進(jìn)至1 037 m時(shí)，揭露一條正斷層，斷層產(chǎn)狀為NE270°∠28°，落差2.8 m，該斷層在運(yùn)輸順槽揭露長(zhǎng)度為27 m，回風(fēng)順槽掘進(jìn)過(guò)程中未揭露斷層，但在巷道掘進(jìn)至800 m時(shí)出現(xiàn)明顯褶皺，根據(jù)運(yùn)輸順槽揭露的斷層走向分析，判斷該斷層在工作面內(nèi)發(fā)育延續(xù)至回順，在揭露斷層處煤層底板起伏變化較大，造成巷道內(nèi)矸石多。工作面掘進(jìn)過(guò)程中運(yùn)、回順及切眼分別出現(xiàn)頂板滴水現(xiàn)象，水量小，出水一般持續(xù)3～5 d后逐漸減小，然后消失。根據(jù)工作面掘進(jìn)過(guò)程揭露情況及水文地質(zhì)條件分析，工作面回采主要的水害因素為頂板砂巖水及構(gòu)造裂隙等局部富水。工作面回采前應(yīng)通過(guò)物探手段對(duì)煤層頂板進(jìn)行富水性探查，查明頂板富水性異常區(qū)域，確定煤層上部含水層的影響程度，針對(duì)富水和構(gòu)造等異常區(qū)采取相應(yīng)的超前探放等防治水措施，提前消除水害對(duì)工作面回采的影響。

4207工作面頂板直流電法低阻異常斷面圖，如圖4所示。結(jié)合工作面頂板水文地質(zhì)情況，推斷①、③號(hào)異常區(qū)為頂板洛河組砂巖局部富水所致，推斷②號(hào)異常區(qū)為工作面頂板上覆4-2號(hào)煤層裂隙發(fā)育及弱含水所致。

圖4 4207工作面頂板直流電法低阻異常斷面Fig.4 Low-resistance anomalous section of 4207 working face roof by direct current method

根據(jù)4207工作面回風(fēng)順槽頂板直流電法探測(cè)的成果，在4207工作面回風(fēng)順槽內(nèi)布置鉆場(chǎng)，同一鉆場(chǎng)布置多個(gè)方向鉆孔，鉆孔參數(shù)及涌水量見(jiàn)表1。

表1 驗(yàn)證鉆孔的初始涌水量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)鉆孔對(duì)本次探測(cè)成果的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在異常區(qū)及附近的鉆孔最小出水量為3 m3/h，最大初始涌水量為10 m3/h。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論模擬，結(jié)果表明直流電法測(cè)深能夠有效探明并識(shí)別巨厚含水層富水異常區(qū)，在建新煤礦4207工作面頂板直流電法探測(cè)成果為疏放水提供精準(zhǔn)靶區(qū)，對(duì)面臨頂板砂巖水威脅的礦井探放水工作具有借鑒作用。