孫 浩

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

1 探測(cè)區(qū)水文地質(zhì)條件

我國(guó)煤炭資源豐富且地域分布遼闊，從而導(dǎo)致煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，成為世界上礦井水害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。近年在我國(guó)常見(jiàn)的水害事故中，老空水水害所占比例約在70% ～ 80%之間，老空水突水具有時(shí)間短破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，雖然水量不大，一般不致造成淹井的害，但水量集中，來(lái)勢(shì)迅猛，一旦揭露，具有很大的沖擊力和破壞力，對(duì)人身安全的危害極大，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[3]。

鐵新煤礦位于山西省靈石縣兩渡鎮(zhèn)的汾河以北，太西村—閆家山村—新莊一帶，主要開(kāi)采2#煤層，其周邊的2座小煤窯現(xiàn)已全部關(guān)閉，由于濫采造成邊界不清，加之鐵新井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，溶巖裂隙發(fā)育，水源補(bǔ)給充足，若在采掘工程中揭露小煤窯造成突水，將嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)[4-5]。因此，為了減少和消除小窯采空區(qū)積水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響，從地面采用新型物探手段，對(duì)小窯采空區(qū)進(jìn)行精細(xì)探查和研究，評(píng)價(jià)其富水性，提出小窯采空區(qū)綜合防治措施，為鐵新煤礦的安全高效開(kāi)采提供系統(tǒng)的地質(zhì)資料保障[6-7]。

2 探測(cè)方法

瞬變電磁法或稱(chēng)時(shí)間域電磁法(簡(jiǎn)稱(chēng)TEM)，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。其基本工作方法是：于地面或空中設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，從而在其周?chē)臻g產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流：斷電后，感應(yīng)電流由于損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小; 而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[8]。

本次物探方法選用HA-M300型礦用瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾輕便自動(dòng)化程度高等特點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，與微機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。

本次地面探測(cè)面積為1 km2，采用500×500 m發(fā)射線圈，共布置測(cè)線26條，測(cè)線線距為40 m，測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距為20 m，測(cè)線總計(jì)26000 m，完成地面物理測(cè)點(diǎn)1326個(gè)。

3 探測(cè)成果及解釋

3.1 剖面探測(cè)成果

在視電阻率剖面圖上，正常情況即地層在不受采空區(qū)、富水區(qū)域、含導(dǎo)水構(gòu)造影響的情況下，煤系地層的電性變化有一定的規(guī)律性，反映在視電阻率剖面圖上為視電阻率值變化穩(wěn)定，等值線呈似層狀分布，變化平緩；相反，當(dāng)存在高阻采空區(qū)、低阻富水區(qū)域、含導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，則視電阻率等值線發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀等，在彩色視電阻率剖面圖上則更加直觀。

測(cè)線剖面圖中對(duì)應(yīng)2#煤標(biāo)高資料可以看出：測(cè)線8、測(cè)線10、測(cè)線11、測(cè)線12均呈現(xiàn)不同程度的采空區(qū)地球物理特征(見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4)。

圖1顯示，在深度600～800 m處出現(xiàn)一段低阻異常帶。其他區(qū)域異常不明顯。在2#煤層附近，測(cè)線450 m處、測(cè)線800 m處等值線變化比較明顯，均顯示為淺色，說(shuō)明此處可能具有富水性。

圖1 測(cè)線8視電阻率深度剖面圖

圖2顯示，在深度600～700 m處出現(xiàn)一段低阻異常帶。在2#煤層附近，測(cè)線400 m處、測(cè)線800 m處等值線變化比較明顯，均顯示為淺色，說(shuō)明此處可能具有富水性。

圖3顯示，在2#煤層附近，測(cè)線450 m處、測(cè)線750 m處等值線變化比較明顯，均顯示為淺色，說(shuō)明此處可能具有富水性。

圖4顯示，在深度600～700 m處出現(xiàn)一段低阻異常帶。在2#煤層附近，測(cè)線350 m處、測(cè)線750 m處等值線變化比較明顯，均顯示為淺色，說(shuō)明2#煤層處可能存在老空積水區(qū)域。

圖2 測(cè)線10視電阻率深度剖面圖

圖3 測(cè)線11視電阻率深度剖面圖

圖4 測(cè)線12視電阻率深度剖面圖

以上各圖均顯示在深度600～700 m處出現(xiàn)一段低阻異常帶。且在2#煤層附近，測(cè)線300～900 m之間均顯示為淺色，說(shuō)明2#煤層處可能存在老空積水區(qū)域。為詳細(xì)了解采空區(qū)情況，需要通過(guò)近煤層視電阻率切片圖進(jìn)一步細(xì)化分析，以確定采空范圍情況。

3.2 切片圖解釋

由于各煤層埋藏深度不同，各煤層視電阻率值的絕對(duì)大小也有所不同，資料解釋時(shí)是根據(jù)同一煤層視電阻率值的相對(duì)大小進(jìn)行分析的。探測(cè)區(qū)域煤底板標(biāo)高為540 m～560 m，為進(jìn)一步對(duì)老空區(qū)分布范圍進(jìn)行分析解釋?zhuān)虼藢?duì)2#煤及其附近作出3個(gè)切片，以分析解釋老空區(qū)的位置。

繪制的各層位切片圖結(jié)果如下(見(jiàn)圖5、圖6、圖7)，其中以測(cè)線1的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，測(cè)線方向(北向)為Y方向，X方向?yàn)闁|向。

圖5 地面瞬變電磁標(biāo)高480 m切片圖

圖6 地面瞬變電磁標(biāo)高540 m切片圖

圖5～7中藍(lán)色表示為相對(duì)低阻，紅色表示為相對(duì)高阻，其他為中間過(guò)渡色。整體上看，在整個(gè)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，視電阻率變化較大，高低相間，變化極不均勻，說(shuō)明該深度煤層破壞較嚴(yán)重。在2#煤層下方，即標(biāo)高480 m處，圖中低阻區(qū)域不是很明顯，可能是由于地層是泥巖等富水程度低的層位。在2#煤附近，即540～560 m處，出現(xiàn)了大面積的低阻異常。其中，在X=200到X=800，Y=200到Y(jié)=800處，出現(xiàn)比較明顯的低阻，尤其是X=300到X=500，Y=300到Y(jié)=800處,呈啞鈴型，中間細(xì)，兩端大。其他低阻區(qū)域零星分布。因此，根據(jù)電性差異，解釋出老空積水區(qū)的大體位置見(jiàn)圖8：

圖7 地面瞬變電磁標(biāo)高560 m切片圖

圖8 劃定老空區(qū)范圍示意圖

其中外邊框?yàn)樘綔y(cè)工區(qū)范圍，橢圓圈定范圍為老空區(qū)的大體范圍，其中富水區(qū)域?yàn)閳D中陰影部分。老空富水區(qū)面積約88081 m2，周長(zhǎng)約1763 m，其中老空富水區(qū)距離探測(cè)工區(qū)的南邊框約278 m，老空富水區(qū)東西向最長(zhǎng)約318 m。

3.3 積水量計(jì)算

其中，QC為有水力聯(lián)系的煤層采空區(qū)積水量之和，m3；K為采空區(qū)或巷道的充水系數(shù)，一般取0.25～0.5；M為采空區(qū)平均采厚或煤厚，m；F為采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α為煤層傾角，(°)。

此次計(jì)算，我們?nèi)為0.5，M為1.2 m，α為4.78°。計(jì)算得出老空積水量大致為53033 m3。

4 結(jié)論及建議

(1) 根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)線剖面分析和2#層位切片分析，得出了老空區(qū)的大致范圍，周長(zhǎng)約1763 m，其中老空富水區(qū)距離探測(cè)工區(qū)的南邊框約278 m，老空富水區(qū)東西向最長(zhǎng)約318 m。

(2) 結(jié)合地面物探手段圈定出的老窯積水區(qū)的大體邊界，據(jù)此劃定“緩沖安全帶”，確定起探標(biāo)高，邊探邊掘。

(3) 探放水必須分煤層進(jìn)行，嚴(yán)格按規(guī)程要求，以不漏掉一個(gè)積水老巷或老空為原則。

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