冉叢江，劉旭東，宋炳霖

(國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

烏東煤礦為沖擊地壓礦井，其南采區(qū)賦存有近直立特厚煤層B3+6和B1+2煤層。當前烏東煤礦南采區(qū)近直立特厚煤層開采深度已經接近400 m，進入深部高應力環(huán)境，沖擊地壓災害形式嚴峻。為加強沖擊地壓防治，烏東煤礦南采區(qū)進行一系列卸壓措施[1-4]，包括對+425水平B3+6工作面B6頂板和B3底板分別實施深淺孔爆破、對煤體實施注水軟化等沖擊地壓卸壓解危工程。雖然礦井已經實施了一系列的防治措施[5-9]，但是上述措施多應用于近水平或傾斜礦井，對近直立特厚煤層礦井的適用性還未可知，因此急需對近直立特厚煤層卸壓效果進行分析研究。

礦井瞬變電磁探測技術是在高阻圍巖中尋找低阻地質體[10]最靈敏的方法，并且因其施工效率高和對低阻體敏感的特點，使得它在當前的煤田水文地質[11-13]勘探中成為首選。劉培浩[14]采用瞬變電磁法研究了煤層采空區(qū)的分布，然后結合測量及鉆孔驗證得到煤層可靠的采空區(qū)范圍及分布情況。王岳飛[15]基于瞬變電磁的工作原理，利用煤層孔隙-裂隙結構電阻率變化，分析煤層水力壓裂后流場特征、煤體破裂、裂隙延伸擴展以及含水性增大的過程。本研究以瞬變電磁技術在探測低阻地質體敏感的特性，分析近直立特厚煤層實施頂底板深淺孔卸壓爆破和煤層注水等措施后圍巖視電阻率分布特征，通過視電阻率變化分析煤巖體卸壓效果，對瞬變電磁技術在煤礦尤其是近直立特厚煤層礦井中的應用具有重要參考意義。

1 工作面概況

烏東煤礦南采區(qū)B3+6煤層位于八道灣向斜南翼，B3+6煤層平均厚度為43.5 m，傾角86°～87°，平均傾角87°，走向N58°～60°，全井田范圍煤層穩(wěn)定可采。采用綜合機械化放頂煤開采工藝，開采段高25 m，放頂煤高度22 m，工作面走向長度2493 m，煤層賦存與工作面布置如圖1所示。煤層基本頂為厚10～20 m粉砂巖，直接頂為厚2～5 m粉砂巖，偽頂為0.3～2 m炭質泥巖，直接底為0.3～1.5 m粉砂巖及泥質粉砂巖，基本底為10～20 m粉砂巖。B3+6煤層現開采至+425 m水平，該水平煤層地質條件簡單，斷層分布較少。B3+6煤層為弱含水煤層，水文地質條件簡單，在上一水平(+450 m)回采過程中工作面未發(fā)生出水現象。

圖1 烏東煤礦煤層賦存與工作面布置

2 卸壓措施及其效果評價技術

2.1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(TEM)[16]通過在不接地回線中或接地電極間供以方波電流，向地下間歇性地發(fā)送一次電磁場，在一次電磁場的發(fā)射間歇，用接受線圈觀測由地下良導地質體感應產生的二次渦旋電磁場。二次磁場隨時間衰減的規(guī)律主要取決于異常體的導電性、體積規(guī)模和埋深，以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率[17]。

對于含水煤巖層，通過實施頂底板卸壓爆破、煤層注水等卸壓工程，可降低圍巖完整性、增大裂隙發(fā)育和導水性。不含水或者含水較低的煤巖在電性上表現為高電阻率特征，如果煤巖裂隙發(fā)育且含水，那么在巖層裂隙發(fā)育或裂隙帶附近導電性增強，視電阻率明顯降低[18]。據此，通過探測煤巖體的電阻率的變化規(guī)律并結合具體工程情況綜合分析圍巖完整程度。圍巖破碎程度增大時，其可承載的能量和應力較小，表明沖擊地壓防治工程卸壓效果較好。因此可以通過對比煤巖體實施卸壓措施前后圍巖視電阻率變化，從而評價近直立特厚煤層卸壓效果。

2.2 近直立特厚煤層工作面卸壓技術

烏東煤礦南區(qū)B3+6煤層近似直立的頂底板活動、垮斷情況不明，且煤巖體均具有弱沖擊傾向性，為此采用頂底板深淺孔爆破切斷應力的傳遞途徑，在煤層頂底板巖石中形成立體緩沖帶，以阻礙與減弱應力傳遞。

2.2.1 淺層爆破孔布置參數

淺層爆破孔施工排距為10 m/排，每組布置3個鉆孔。其中1#爆破孔設計長度25 m，角度25°，裝藥長度15 m；2#爆破孔設計長度25 m，角度45°，裝藥長度15 m；3#爆破孔設計長度35 m，角度60°，裝藥長度23 m，孔徑均為113 mm。頂、底板淺爆破孔布置如圖2所示。

圖2 頂、底板深淺爆破孔施工方案

2.2.2 深孔爆破孔布置參數

深孔爆破施工排距為30 m/排，每組布置2個鉆孔。鉆孔設計長度50 m，孔徑113 mm，裝藥長度20 m，封孔長度30 m，鉆孔施工角度分別為25°、35°，頂、底板深爆破孔布置如圖2所示。

煤體注水可軟化預裂煤體，降低煤體脆性，釋放煤體中集中的應力，使煤體由彈性形變向塑性形變轉變，降低煤體集聚彈性能的能力，有效預防沖擊地壓。在B3巷沿煤體傾向方向施工注水孔，+425水平B3+6工作面煤層厚度平均為43 m，屬于特厚煤層，噸煤注水量為0.03 m3/t。經計算當鉆孔走向范圍覆蓋100 m時，單側注水量為2064 m3。注水孔20 m/排，1個/排，角度20°，施工長度38 m，封孔長度15 m，注水孔布置如圖3所示。

圖3 煤體傾向注水孔施工剖面圖(mm)

2.3 近瞬間電磁測點布置

在+425 m水平B3+6煤層綜采工作面B6巷頂板和B3巷底板方向沿剖面各布置5條測線，測線與豎直方向夾角分別為0°，15°，30°，45°和60°，瞬變電磁測深90 m。在B3巷朝煤體方向沿剖面布置4條測線，分別與豎直方向成0°，15°，30°和45°夾角，瞬變電磁測深60 m。在B3巷朝豎直方向采空區(qū)布置1條測線，瞬變電磁測深為90 m。近直立特厚煤層瞬變電磁測線平面和剖面布置如圖4所示。

圖4 近直立特厚煤層瞬變電磁測線布置

通過移動發(fā)射接收線圈，可在連接巷道不同里程同一方向、同一鉆孔角度的電測測線形成實測剖面，用于評估+425水平煤巖體卸壓效果。礦井瞬變電磁法勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，邊長2 m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈匝數4匝，接收線圈匝數40匝。供電電流檔為60 A，供電脈寬10 ms，采樣率16 μS。每個測點至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數據的可靠性。施工過程中時刻檢查儀器和導線的漏電情況，保證絕緣，避免觀測曲線發(fā)生畸變，造成解釋的錯誤。

3 瞬變電磁法卸壓效果

依據地質資料可知，B3+6煤層為低含水煤層，在頂底板深淺孔卸壓爆破和煤層注水等卸壓措施影響下，煤巖體破碎程度增大、裂隙進一步發(fā)育，圍巖導水性增強、視電阻率降低，因此可以用視電阻率低阻異常區(qū)表征圍巖裂隙發(fā)育區(qū)域，用視電阻率變化表征卸壓效果。

3.1 +425水平B6巷頂板卸壓效果

依據瞬變電磁監(jiān)測線布置，在B6頂板側布置了5種角度的監(jiān)測線，1#(0°)、2#(15°)、3#(30°)、4#(45°)和5#(60°)。里程1710～1690 m范圍各監(jiān)測線所在剖面的視電阻率分布如圖5所示。圖中1690～1710 m范圍為已爆破區(qū)域，1666～1690 m范圍為未爆破區(qū)域。紫色區(qū)域為相對低阻區(qū)域，主要分布在已爆破區(qū)域。對比各監(jiān)測線所在剖面視電阻率分布可知，已爆破區(qū)域視電阻率明顯低于未爆破區(qū)域。

圖5 +425m水平B6巷頂板視電阻率成像

1#—5#監(jiān)測線所在剖面最小視阻率分別為20、15、20、25、20 Ω·m，分布在已爆破區(qū)域。未爆破區(qū)域整體相對視電阻率較大，未爆破區(qū)最小視電阻率為55、55、55、45、55 Ω·m。對于測線剖面中紫色的相對低阻區(qū)域，結合炮孔所在位置，可知淺紫色虛線圍成的區(qū)域是拋空在探測線方向上形成較明顯爆破影響區(qū)域，表明B6頂板深淺孔爆破起到了一定的卸壓效果。對比+425水平B6巷頂板各測線剖面已爆破區(qū)域和未爆破區(qū)域平均相對視電阻率。B6頂板巖體視電阻率降幅依次為50.00%，50.00%，58.33%，58.33%，50%，已爆破區(qū)域巖體裂隙快速發(fā)育、承壓能力下降，頂板深淺孔爆破起到了較好的卸壓效果。

3.2 +425水平B3巷底板卸壓效果

依據瞬變電磁監(jiān)測線布置，在B3底板側布置了5種角度的監(jiān)測線，6#(0°)、7#(15°)、8#(30°)、9#(45°)和10#(60°)。里程1710～1690 m范圍各監(jiān)測線所在剖面的視電阻率分布如圖6所示。圖中1690～1710 m范圍為已爆破區(qū)域，1666～1690 m范圍未爆破區(qū)域。淺紫色虛線圍成的區(qū)域在其較大范圍連接區(qū)域內整體表征為相對低阻區(qū)域。對比各監(jiān)測線所在剖面視電阻率分布可知，已爆破區(qū)域視電阻率明顯低于未爆破區(qū)域。

11#—15#監(jiān)測線所在剖面最小視電阻率均為5Ω·m，與其他區(qū)域形成整體鮮明對比，結合B3巷道炮孔布置，綜合判定為爆破影響區(qū)域，未爆破區(qū)域最小視電阻率均為40 Ω·m。對于上述相對低阻區(qū)域，推斷淺紫色虛線圍成的區(qū)域在探測線方向高度80 m范圍內形成較明顯爆破影響區(qū)域，B3巷道底板深淺孔爆破起到了一定的卸壓效果。對比+425水平B3巷底板各測線剖面已爆破區(qū)域和未爆破區(qū)域平均相對視電阻率。底板巖體視電阻率降幅依次為80.00%，80.00%，70.00%，70.00%，80.00%，已爆破區(qū)域巖體裂隙快速發(fā)育、承壓能力下降，底板深淺孔爆破起到了較好的卸壓效果。

3.3 +425水平B3巷煤體卸壓效果

依據監(jiān)測線布置，在B3巷煤體側布置了5種角度的監(jiān)測線，11#(0°)、12#(15°)、13#(30°)和14#(45°)。里程1682～1706 m范圍各監(jiān)測線所在剖面的視電阻率分布如圖7所示。其中1695 m處為注水孔布置位置。淺紫色虛線圍成的區(qū)域在其連接范圍內整體表征為相對低阻區(qū)域，主要分布在注水孔端頭區(qū)域。此區(qū)域內4條監(jiān)測線所在剖面最小視電阻率值分別為38、36、30、30 Ω·m，綜合判定為注水影響區(qū)域，未受注水影響區(qū)域最小視電阻率均為60 Ω·m，表明煤層注水對煤體卸壓起到一定作用。于上述相對低阻區(qū)域，結合注水孔所在位置，推斷淺紫色虛線圍成的區(qū)域在探測線方向高度25 m到35 m范圍內形成較明顯注水影響區(qū)域。對比+425水平B3巷煤層各測線剖面注水影響區(qū)和未受注水影響區(qū)的平均相對視電阻率。煤體視電阻率降幅依次為28.57%，35.71%，42.86%，30.00%，注水影響區(qū)圍巖裂隙快速發(fā)育、承壓能力下降，煤層起到了較好的卸壓效果。

4 應力監(jiān)測分析

KJ21煤礦災害監(jiān)測預警系統(tǒng)是一套功能齊全、可擴展的監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于實時、在線監(jiān)測液壓支架工作阻力、錨桿(索)載荷和鉆孔應力等。本研究中利用KJ21監(jiān)測系統(tǒng)中的錨桿應力監(jiān)測和鉆孔應力監(jiān)測功能礦用應力監(jiān)測系統(tǒng)和瞬變電磁探測系統(tǒng)，對卸壓效果進行綜合評價。錨桿應力監(jiān)測和鉆孔應力監(jiān)測的測點布置如圖8所示。

圖8 鉆孔應力和錨桿應力測點布置

錨桿應力監(jiān)測數據見表1，可以分析得出：煤層采取耦合致裂措施后，錨桿應力大幅減小。

表1 錨桿應力監(jiān)測統(tǒng)計

鉆孔應力監(jiān)測數據見表2，鉆孔應力變化趨勢如圖9所示，由此可以分析得出：鉆孔應力監(jiān)測數值較初始值都有不同程度下降，表明煤體側應力集中程度較小，耦合致裂措施降低了煤體內應力。

表2 鉆孔應力監(jiān)測數據

圖9 鉆孔應力變化趨勢

5 結 論

1)利用應力在線監(jiān)測系統(tǒng)與瞬變電磁監(jiān)測系統(tǒng)耦合分析，通過對比實施卸壓措施和未實施卸壓措施的煤巖體應力變化與視電阻率的變化，可分析研究近直立特厚煤層卸壓效果，卸壓區(qū)域形成煤巖體低視電阻率異常區(qū)，對比面現場應用效果良好。

2)+425水平B6巷頂板已爆破區(qū)域平均視電阻率相較于未爆破區(qū)域降低50%～60%，B3巷底板已爆破區(qū)域平均視電阻率相較于未爆破區(qū)域降低70%～80%，形成頂底板弱化區(qū)，降低最大水平主應力的傳遞作用，使最大水平主應力的作用遠離采礦活動空間，降低圍巖應力集中。

3)+425水平B3巷已注水煤體平均相對視電阻率相較于未注水煤體降低25%～45%，軟化預裂煤體，降低煤體的脆性，釋放煤體中集中的應力，實現煤體由彈性形變向塑性形變轉變，降低煤體集聚彈性能的能力，有效預防沖擊地壓的發(fā)生。