劉勇洪

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西省太原市,030031)

瞬變電磁技術(shù)在底板采空區(qū)富水性探測(cè)中應(yīng)用

劉勇洪

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西省太原市,030031)

采用基于雙煙圈效應(yīng)理論的礦井瞬變電磁法對(duì)梨樹(shù)園煤礦老采空區(qū)內(nèi)部富水狀態(tài)及其邊界進(jìn)行探測(cè),依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)將測(cè)試區(qū)域劃定了2處高阻異常區(qū)和4處低阻異常區(qū)。對(duì)于初步探測(cè)到的底板富水區(qū)域,提前采取自然排水和低洼處排水降壓的措施,避免開(kāi)采過(guò)程中水害事故的發(fā)生。

底板采空區(qū) 水害事故 富水性探測(cè) 瞬變電磁法 排水降壓

突水事故是煤礦常見(jiàn)災(zāi)害事故之一,多數(shù)發(fā)生在富水礦井的采掘過(guò)程中,主要原因是防治水措施不到位,進(jìn)而導(dǎo)致地表或者地下水通過(guò)塌陷區(qū)、裂隙等各種通道涌入采掘工作面。尤其是工作面底板采空區(qū)存在大量積水且充水情況不明時(shí),一旦底板導(dǎo)水裂隙充分發(fā)育與底板采空區(qū)溝通形成導(dǎo)水通道,將發(fā)生嚴(yán)重水害事故。而物探技術(shù)可以較為方便準(zhǔn)確地查明掘進(jìn)巷道前方或者工作面內(nèi)頂?shù)装咫[伏含水異常構(gòu)造區(qū)具體位置,在事故發(fā)生前采取治理措施,盡可能避免災(zāi)害事故的發(fā)生,因此超前探測(cè)技術(shù)有重要的實(shí)際意義。

現(xiàn)應(yīng)用比較廣泛的物探技術(shù)有瞬變電磁技術(shù)、無(wú)線電波透視技術(shù)和音頻電透視技術(shù)等,而礦井瞬變電磁技術(shù)作為時(shí)域的一種物探方法,因其具有檢測(cè)異常更直接、探測(cè)效果更明顯、原始數(shù)據(jù)保真度更高等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)而被廣泛應(yīng)用。基于雙“煙圈效應(yīng)”理論,本文采用礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù),沿工作面布置直線形測(cè)點(diǎn),根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定工作面底板采空區(qū)內(nèi)部富水狀態(tài)及其邊界。

1 工程概況

山西梨樹(shù)園煤業(yè)是經(jīng)兼并重組整合而成的礦井,井田范圍內(nèi)舊小煤窯較多,地質(zhì)資料顯示井田內(nèi)共有19座小煤窯,24個(gè)井口,整合后礦井生產(chǎn)規(guī)模為120萬(wàn)t/a。井田范圍內(nèi)可采煤層為1＃和2＃煤層;1＃煤層平均厚度為1.74 m,埋深約320 m左右,傾角為4°～9°,煤層結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,頂板多為粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖;2＃煤層平均厚度為1.1 m,上距1＃煤層約10.9 m,頂板巖層大部為泥巖和砂質(zhì)泥巖,個(gè)別為中砂巖和粉砂巖,底板巖層大部為泥巖和砂質(zhì)泥巖,局部為細(xì)砂眼、粉砂巖。礦井設(shè)計(jì)的首個(gè)回采工作面1101工作面采用綜合機(jī)械化開(kāi)采,主采1＃煤層,煤層厚度在0.65～2.83 m之間,工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度800 m,傾向長(zhǎng)度230 m。

整合前,一些小煤窯聯(lián)合開(kāi)采1＃、2＃煤層,一些則單獨(dú)開(kāi)采1＃或者2＃煤層,據(jù)礦井提供地質(zhì)資料顯示,2＃煤層存在6處采空區(qū),位于井田西南部及東南部,而在井田西南部咸水梁—千洼一帶存在大片的小煤窯破壞區(qū)及較高的富水異常區(qū)。預(yù)計(jì)2＃煤層范圍內(nèi)小煤窯采空區(qū)面積約13.6萬(wàn)m2,積水量約為9萬(wàn)m3,采空區(qū)邊界離1＃煤層的1101工作面最小水平距離為80 m,但是地質(zhì)資料只能作為簡(jiǎn)單參考,不能顯示真實(shí)的采空區(qū)內(nèi)富水邊界,這將給工作面開(kāi)采過(guò)程中的水害防治工作帶來(lái)不確定性和極大的挑戰(zhàn)。1101工作面位于奧灰水下,1＃、2＃煤層均采空后,層間巖層或?qū)嗔咽Х€(wěn),導(dǎo)水裂隙帶充分發(fā)育、裂隙帶高度大大增加,將形成導(dǎo)水通道,溝通含水層,引發(fā)水害事故。為確保1101工作面初采期間安全順利推進(jìn),有必要弄清底板下部不規(guī)則房式采空區(qū)充水邊界及其富水狀態(tài)。

2 瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)

2.1 基本原理

礦井瞬變電磁技術(shù)(TEM)的工作原理如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁技術(shù)工作原理

在煤礦井下巷道內(nèi)鋪設(shè)邊長(zhǎng)為1.5 m的多匝小回線裝置,向小回線裝置中輸入階躍電流,當(dāng)回線中的電流突然斷開(kāi)時(shí),回線裝置的上下空間會(huì)產(chǎn)生渦流感應(yīng),來(lái)保持電流斷開(kāi)前已經(jīng)存在的電磁場(chǎng),同時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場(chǎng)會(huì)以等效渦流的形式向線框上下兩側(cè)擴(kuò)展。渦流磁場(chǎng)的變化情況可以應(yīng)用不接地線圈進(jìn)行觀測(cè),礦井瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)屬于全空間的瞬變響應(yīng),來(lái)源于回線平面上下兩側(cè)的底層,簡(jiǎn)稱雙煙圈效應(yīng)。

線框收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是探測(cè)范圍內(nèi)巖層特征的綜合響應(yīng),這種綜合響應(yīng)可以表現(xiàn)在其本身的視電阻率上,即不同的巖層具有不同的電阻率。研究表明,巖石越干燥,其視電阻率相對(duì)越大,當(dāng)巖石受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用時(shí),巖石常發(fā)育有破碎裂隙或空隙,但是當(dāng)巖石的裂隙或空隙中含有水時(shí),那么巖石的濕度和飽和度必然隨著水量的增加而增加,那么視電阻率受其影響反而會(huì)下降。由此尋找下部地層富水區(qū)的問(wèn)題,就轉(zhuǎn)換為尋找構(gòu)造中低阻異常分布的問(wèn)題。正常狀況下,地層由上到下其視電阻率呈現(xiàn)由低到高的特征,水平橫向上變化不大,但是當(dāng)同一水平上巖層受構(gòu)造發(fā)育產(chǎn)生裂隙特征或者含水較多時(shí),那么巖石的視電阻率特征會(huì)出現(xiàn)異常點(diǎn)或者畸變點(diǎn),通常這是根據(jù)電法來(lái)尋求地質(zhì)異常構(gòu)造體或者含水層的依據(jù)。

2.2 技術(shù)方案

礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)裝置選擇重疊的邊長(zhǎng)為1.5 m的多匝矩形回線,疊加32次,發(fā)射部分的線框個(gè)數(shù)為10匝,接收部分的線框個(gè)數(shù)為24匝。探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置于工作面切眼及兩側(cè)巷道,巷道斷面為矩形,高2.5 m,采用錨網(wǎng)、工字鋼支護(hù)。物理測(cè)點(diǎn)的布置間距為10 m,共有98個(gè),測(cè)線布置如圖2所示。

圖2 測(cè)線位置示意圖

由圖2中可以看出L1探測(cè)線布置在回風(fēng)巷一側(cè),L2、L4探測(cè)線布置在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè),L3探測(cè)線布置在切眼側(cè)。各探測(cè)線的方向如下,L1探測(cè)線的方向是工作面進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)順層下10°方向,測(cè)線分布范圍是自切眼向外280 m的范圍;L2探測(cè)線的方向是工作面回風(fēng)巷側(cè)順層下10°方向,測(cè)線分布范圍是自切眼向外300 m的范圍;L3探測(cè)線的方向是切眼巷底板方向,測(cè)線分布范圍是切眼巷側(cè)160 m范圍;L4探測(cè)線的方向是切眼巷底板方向,測(cè)線分布范圍是自切眼向外240 m的范圍。

2.3 結(jié)果分析

測(cè)試得到的TEM視電阻率等值線斷面圖如圖3所示。

圖3 測(cè)線的視電阻率斷面等值線圖

從圖3(a)中可以看出,L1測(cè)線的相對(duì)視電阻率值存在2處高阻異常,視電阻率值約為15～35Ω·m,其中1＃異常區(qū)位于距切眼190～235 m范圍,向工作面傾向延伸約70 m,2＃異常區(qū)位于距切眼50～160 m范圍,向工作面傾向延伸約50～70 m,此范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)巷道表面未見(jiàn)明顯滲水、淋水,整體較為干燥,結(jié)合巷道掘進(jìn)期間斷面破碎情況,初步判斷以上2處高阻異常均為斷層破碎帶影響所致且破碎帶干燥未充水,從而導(dǎo)致相對(duì)視電阻率的異常增大。由圖3(b)可知,L2測(cè)線的相對(duì)視電阻率值存在1處顯著的大面積低阻異常,其值小于2Ω·m,其中走向影響范圍距切眼0～125 m,向工作面傾向延伸約70 m,1＃異常區(qū)位于距切眼115～160 m范圍,向工作面傾向延伸約60～100 m,根據(jù)巷道揭露及底板鉆孔出水情況,初步判斷該范圍內(nèi)存在較大面積的采空區(qū),且已經(jīng)與邊界外采空區(qū)連通,富水性強(qiáng),是梨樹(shù)園煤業(yè)防治水的重點(diǎn)。圖3(c)可知,相對(duì)視電阻率值存在2處低阻異常,其值小于4Ω·m,其中2＃異常區(qū)位于上端頭50～100 m范圍,3＃異常區(qū)位于距切眼0～30 m范圍,結(jié)合此范圍內(nèi)斷層揭露情況及掘進(jìn)期間超前底板鉆探結(jié)果,初步判斷該范圍切眼下方無(wú)采空區(qū),認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育、裂隙較多、富水性增強(qiáng)是導(dǎo)致視電阻率較低的原因。圖3(d)可知,相對(duì)視電阻率值存在1處較大面積的低阻異常,其值小于2Ω·m,其位于切眼0～130 m范圍內(nèi),結(jié)合L2測(cè)線探測(cè)結(jié)論及掘進(jìn)期間超前底板鉆探結(jié)果,判斷該范圍底板存在大量的采空區(qū),且富水性較強(qiáng)。

從圖3的數(shù)據(jù)分析中可知,L1測(cè)線的2處高阻異常區(qū)是斷層影響且干燥的破碎帶區(qū)域,L2測(cè)線的1處大面積低阻異常是富水性較強(qiáng)的采空區(qū)域,L3測(cè)線的2處低阻異常是構(gòu)造裂隙發(fā)育且富水性較強(qiáng)的區(qū)域,但無(wú)采空區(qū),L4測(cè)線的1處大面積低阻異常是富水性較強(qiáng)的采空區(qū)域,將以上各地質(zhì)解釋繪在工作面中如圖4所示。

圖4 瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果

3 治理措施

瞬變電磁探測(cè)結(jié)果表明底板采空區(qū)存在大量積水,為防止水害事故的發(fā)生,首先采用自然排水的方式,但是就目前排水情況來(lái)看,水位標(biāo)高仍高于初采區(qū)域最低點(diǎn),底板采空區(qū)下仍存有大量積水。當(dāng)工作面推進(jìn)至初采區(qū)域時(shí),采場(chǎng)及后方采空區(qū)底板大量涌水會(huì)導(dǎo)致底板泥巖軟化、強(qiáng)度降低,極可能出現(xiàn)支架、刮板輸送機(jī)歪斜、陷底、倒架等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響推進(jìn)速度,進(jìn)而加劇底板的破壞。針對(duì)初采區(qū)域最低點(diǎn)可能面臨的難題,為保證低洼處能夠安全推進(jìn),決定在最低洼區(qū)域采用底板排水降壓的方式。排水孔布置方案及鉆孔參數(shù)如圖5及表1所示,即在進(jìn)風(fēng)巷最低洼處布置小俯角底板排水鉆孔,使得排水孔口標(biāo)高盡量降低,由于進(jìn)風(fēng)巷45＃測(cè)點(diǎn)靠近富水采空區(qū)邊界,且處于低洼位置,在45＃測(cè)點(diǎn)附近靠近切眼側(cè)10 m處,分別向兩幫底板鉆孔至采空區(qū)位置,共設(shè)計(jì)施工4個(gè)鉆孔,兩幫各2個(gè),設(shè)計(jì)終孔的實(shí)際深度以鉆探見(jiàn)水為準(zhǔn)。

圖5 排水孔布置示意圖

表1 進(jìn)風(fēng)巷排水孔參數(shù)

低洼處排水降壓時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)底板鉆孔大量出水,即使水壓不大,亦應(yīng)盡量疏排采空區(qū)水體,因此必須保證孔內(nèi)盡可能無(wú)堵塞,使流水保持暢通。針對(duì)實(shí)際施工中遇到不穩(wěn)定煤巖層時(shí)經(jīng)常塌孔、影響疏排效果的問(wèn)題,鉆孔采用2級(jí)結(jié)構(gòu),孔內(nèi)必須下入一定的孔口管,孔口處安設(shè)法蘭盤、放水三通及壓力表等。在工作面回采期間,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底板排水鉆孔出水量變化、工作面底板出水量變化、危險(xiǎn)區(qū)域底板出水量變化以及防排水設(shè)施運(yùn)行狀況。梨樹(shù)園煤礦1101工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)至39＃測(cè)點(diǎn)過(guò)程中,只觀察到部分采場(chǎng)底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,巖石遇水軟化,部分支架底座下陷約0.2～0.3 m,但不影響正常推進(jìn),待推采至39＃測(cè)點(diǎn)以外,采場(chǎng)小幅度仰采,標(biāo)高逐漸增加,后方采空區(qū)出水量逐漸降低、直至消失,未發(fā)生嚴(yán)重危害生產(chǎn)的透水事故現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)將瞬變電磁法應(yīng)用于回采工作面底板采空區(qū)富水性探測(cè),初步判斷底板采空區(qū)的富水狀態(tài)及邊界,提前在工作面前方的低洼處采取排水降壓的方式,結(jié)果在工作面回采過(guò)程中未發(fā)生水害事故,表明瞬變電磁法具有較好的探測(cè)效果。

(2)礦井瞬變電磁法是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的一種礦井物探技術(shù),具有快速、經(jīng)濟(jì)、行之有效的優(yōu)點(diǎn),該法在梨樹(shù)園煤礦1101工作面的成功運(yùn)用為同類礦井的底板采空區(qū)富水性探測(cè)提供了參考,在富水探測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of TEM in detecting water content in goaf floor

Liu Yonghong
(Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan,Shanxi 030031,China)

In order to ascertain water-rich zone and its boundary in old goaf of Lishuayuan Coal Mine,according to the detection data from TEM based on theory of double smoke ring effect,two high-resistance abnormal areas and four low-resistance abnormal areas were delimited．For the explored water-rich areas in floor,natural drainage and low-lying drainage and pressure reduction were adopted to avoid the water disaster in process of mining．

goaf floor,water disaster,water content detection,TEM,drainage and pressure reduction

P631

A

劉勇洪(1975－),男,湖南湘潭人,碩士學(xué)歷,主要從事煤礦開(kāi)采、煤礦安全、巷道支護(hù)等方面的教學(xué)和研究。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

劉勇洪.瞬變電磁技術(shù)在底板采空區(qū)富水性探測(cè)中應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2017,43(1):41－44. Liu Yonghong.Application of TEM in detecting water abundance of goaf floor[J].China Coal,2017,43(1):41－44.