鐵新煤礦老空區(qū)富水性的探查技術(shù)

李 琛

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

0 引言

我國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)重的國家之一［1］。近年在我國常見的水害事故中，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災(zāi)害，但水量集中，來勢(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］。

鐵新井田位處郭莊泉巖溶水系統(tǒng)的北部，是我國北方巖溶水充水礦床之一，目前主要開采2號(hào)煤層。2號(hào)煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組中部，厚31.80 ～53.05m，平均 43.35m，煤層發(fā)育較穩(wěn)定，中下部有一層夾矸，頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖、粉砂巖，底部褐灰色石英砂巖與下伏地層整合接觸。

據(jù)資料調(diào)查，本井田周邊分布有兩座小煤窯，現(xiàn)已全部關(guān)閉，一座為靈石縣兩渡鎮(zhèn)大太西煤礦，另一座是位于東北部的介休市大佛寺煤業(yè)有限公司，兩座煤礦年產(chǎn)均生產(chǎn)能力6萬t/a，分別批準(zhǔn)開采1、2號(hào)和9、10煤層。由于小煤窯的濫采，邊界不清，加上鐵新井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，溶巖裂隙發(fā)育，水源補(bǔ)給充足且存在承壓水層，不論上組煤還是下組煤在采掘工程中很可能揭露小煤窯發(fā)生老窯突水［4］，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。因此，小煤窯的邊界控制及充水情況調(diào)查也是防治水非常重要的工作。

井田內(nèi)的小窯采空區(qū)的富水性多種地質(zhì)因素密切相關(guān)，具有復(fù)雜性、時(shí)效性和非線性。小窯采空區(qū)富水程度及其周圍裂隙導(dǎo)通水性能等需詳細(xì)分析與研究，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，從地面用多種新型物探手段，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采提供系統(tǒng)的地質(zhì)資料保障。

1 煤礦老空區(qū)地面探測(cè)技術(shù)

1.1 瞬變電磁法

1.1.1 原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法，它遵循電磁感應(yīng)原理，是利用不接地回線或接地線源發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場的方法［5］。通過研究“二次場”的空間分布特性和時(shí)間特性，可以推測(cè)解譯地層或老空區(qū)的幾何和物性特征。該方法具有對(duì)高阻層的穿透能力強(qiáng)、對(duì)低阻層分辨能力高、異常響應(yīng)強(qiáng)、地形影響小、測(cè)量簡單、工作效率高等特點(diǎn)［6］，因此成為地球物理探測(cè)應(yīng)用前途最好的方法之一。

1.1.2 探測(cè)方法

本次物探方法電磁法選擇華北科技學(xué)院礦井水害防治研究所自主研發(fā)的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0.5 km2，探測(cè)采用500×500 m發(fā)射線圈，布置測(cè)線19條，測(cè)線線距為40 m，點(diǎn)距為20 m，測(cè)點(diǎn)布置在發(fā)射線圈內(nèi)部，距邊框70 m。測(cè)線總計(jì)13300 m，覆蓋有效面積0.504 km2。完成地面物理測(cè)點(diǎn)684個(gè)。

1.1.3 探測(cè)成果

測(cè)線剖面圖中對(duì)應(yīng)2#煤標(biāo)高處資料可以看出:在瞬變電磁法中，測(cè)線 S8、S9、S10、S11 四條測(cè)線中均呈現(xiàn)不同程度的采空區(qū)地球物理特征。

對(duì)第S8測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖1)成果解釋，在500 m高程處、測(cè)線中段存在一處采空區(qū)(圖中黑色矩形框)，對(duì)比電阻率色譜圖，此處顯示淺綠色，為中高阻，說明采空區(qū)富水性弱。

圖1 第S8測(cè)線視電阻率擬斷面圖

根據(jù)第S9測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖2)，在510 m～540 m高程處有一處規(guī)模較大的采空區(qū)，色譜圖顯示為綠色，為中高阻異常區(qū)，說明采空區(qū)富水的可能較小。

圖2 第S9測(cè)線視電阻率擬斷面圖

對(duì)第S10測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖3)解釋，在490m～540m高程處存在一處范圍較大的采空區(qū)，色譜圖顯示為黃色，為高阻反應(yīng)異常區(qū)，說明采空區(qū)可能被賦水性較弱的巖石充填，富水程度較弱。

圖3 第S10測(cè)線視電阻率擬斷面圖

根據(jù)第S11測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖4)，在520m～550m高程處存在一處面積較小的采空區(qū)，色譜圖顯示為綠色，為中高阻，富水性弱。

圖4 第S11測(cè)線視電阻率擬斷面圖

總結(jié)在此范圍內(nèi)存在多個(gè)采空區(qū)，且部分采空區(qū)發(fā)育規(guī)模較大，電阻率色譜圖多顯示黃色或淺綠色，表示高阻或中高阻異常區(qū)域，說明各采空區(qū)富水性弱。

1.2 SYT探測(cè)方法

1.2.1 原理

天然源電磁探測(cè)法是一種被動(dòng)源法物探，它接收的是天然超低頻段電磁波，這部分電磁波到達(dá)地面后，一部分進(jìn)入地下，進(jìn)入地下的電磁波遵從大地低頻窗口截頻公式:

其中，f為截止頻率(Hz)，ρ為界面上覆地層的視電阻率(Ω·m)，h為界面所在深度(m)，k為常數(shù)(9 ×105)，a為特定常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)獲得［7］。

SYT法就是把地下反射上來的不同頻率的電磁波通過接收放大，轉(zhuǎn)變成電壓數(shù)值，通過一定的軟件程序進(jìn)行處理來提取地質(zhì)信息。一般情況下，如果巖層裂隙發(fā)育或者富含水，對(duì)電磁波的吸收就增強(qiáng)，反射回來的電磁波能量衰減就大，計(jì)算的視電阻率値就偏低，據(jù)此就可以判斷地層是否富含水及富水程度［8］。

1.2.2 探測(cè)方法

本次采用華北科技學(xué)院水害防治研究所研制的SYT－4型天然場源電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)老空區(qū)的范圍進(jìn)行探測(cè)，檢驗(yàn)瞬變電磁的探測(cè)成果，使得探測(cè)結(jié)果更精確。

SYT的地面探測(cè)是確定采空區(qū)發(fā)育的深度、分布范圍，然后確定老窯及其下煤層所在水平的地層賦水性，布置主要以測(cè)線上布置測(cè)點(diǎn)的形式出現(xiàn)，探測(cè)工區(qū)以異常體為主要區(qū)域，形成長約720 m，寬約700 m的方形區(qū)域，探測(cè)范圍與瞬變電磁法一致。采用測(cè)線線距為80 m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為40m的SYT測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，實(shí)際布置Y1－Y10測(cè)線10條，每條測(cè)線19個(gè)點(diǎn)，共190個(gè)物理點(diǎn)，測(cè)線長度共計(jì)7000 m。

1.2.3 探測(cè)成果

在SYT法中對(duì)應(yīng)2#煤標(biāo)高處資料可以看出，測(cè)線Y4、Y5、Y6、Y7四條側(cè)線呈現(xiàn)不同程度的采空區(qū)地球物理特征。

對(duì)Y4測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖5)進(jìn)行成果解釋，在500 m～520 m高程處存在兩處采空區(qū)(圖中白色矩形小框)，一處范圍較大，另一處較小，集中分布在測(cè)線的中段，而根據(jù)測(cè)線色譜圖，采空區(qū)內(nèi)多顯示黃色或黃綠色，呈高阻反應(yīng)，說明采空區(qū)中富水程度較低，大多數(shù)為空或被賦水性較差的巖石充填。

圖5 第Y4測(cè)線視電阻率擬斷面圖

根據(jù)Y5測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖6)，在480m～500m高程處存在三個(gè)老窯采空區(qū)，位于測(cè)線中段的采空區(qū)規(guī)模大，其他兩個(gè)規(guī)模小，對(duì)比測(cè)線色譜圖，多顯示黃色，可知采空區(qū)富水性較弱。

圖6 第Y5測(cè)線視電阻率擬斷面圖

對(duì)Y6測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖7)進(jìn)行成果解釋，在500m～510 m高程處有兩處面積較大老窯采空區(qū)，測(cè)線色譜圖顯示采空區(qū)內(nèi)多為黃色或黃綠色，為高電磁電阻異常區(qū)，說明采空區(qū)中大多數(shù)為空或被賦水性較差的巖石充填，富水性弱。

圖7 第Y6測(cè)線視電阻率擬斷面圖

根據(jù)Y7測(cè)線視電阻率擬斷面圖(圖8)可知，在490 m～500 m高程處僅零星分布有采空區(qū)，且采空區(qū)范圍較小，測(cè)線色譜圖多顯示黃色，證明區(qū)內(nèi)大部分富水性較弱。

圖8 第Y7測(cè)線視電阻率擬斷面圖

總結(jié)在此范圍中的采空區(qū)較多，且規(guī)模各異，各測(cè)線色譜圖多顯示黃色或黃綠色，呈中高阻或高阻反應(yīng)，說明各采空區(qū)中富水程度較低。

2 采空區(qū)范圍及地層富水性評(píng)價(jià)

兩種方法探測(cè)結(jié)果顯示(據(jù)圖9)，采空區(qū)的形狀基本相似且重合，只是范圍大小稍有區(qū)別(紅色線框?yàn)镾YT法所圈定采空區(qū)范圍，藍(lán)色線框?yàn)榈孛嫠沧冸姶欧ㄋΧú煽諈^(qū)范圍)，綜合分析兩種方法探測(cè)結(jié)果并從確保安全生產(chǎn)方面考慮，認(rèn)為本區(qū)采空區(qū)的分布范圍以兩種探測(cè)結(jié)果為參考所圈定的綠色線區(qū)域54102.2 m2面積范圍(據(jù)圖10)。

圖9 探測(cè)采空區(qū)范圍分布圖

圖10 探測(cè)采空區(qū)范圍分布圖

剖面探測(cè)成果，采空區(qū)域深度范圍為2#煤所在層位，為進(jìn)一步分析該層位富水性情況，瞬變電磁法分別沿2#煤底板等高線及底板上方30米范圍分別做平面切片圖，如圖11、12所示。由兩個(gè)層位平面視電阻率值分布圖可看出，在2#煤層上方30 m層位較2#煤層電阻率值低些，說明此層位相2#煤層富水性較強(qiáng)。但在煤層平面色譜圖中對(duì)照采空區(qū)電阻率值顯示為高阻面積較大，說明本采空區(qū)為弱富水。

圖11 2#煤底板上方30m平面視電阻率值分布圖

圖5－1、5－2是天然電磁法探測(cè)與瞬變電磁法所切平面相同標(biāo)高的水平切面圖，同樣顯示在采空區(qū)的范圍內(nèi)，為弱富水的中高值區(qū)，僅在靠南部區(qū)域，有局部富水低值區(qū)。兩種方法探測(cè)結(jié)果結(jié)論基本一致。

圖12 底板上方30 m平面視電阻率值分布圖

圖13 2#煤層水平視電阻率切片圖

圖14 2#煤層上方30 m水平視電阻率值切片圖

而在2#煤層上方86 m水平在圈定的采空區(qū)的范圍內(nèi)，基本為電阻率低值區(qū)，低值區(qū)與采空區(qū)范圍基本一致。在此高程平面內(nèi)，可能存在因2#煤開采垮落后，造成上覆巖層產(chǎn)生離層的影響，該水平內(nèi)采空區(qū)分布范圍的巖層賦水程度較高，如圖15所示。

圖15 2#煤上方86 m(+586)平視電阻率值切片圖

上述切面資料顯示，從2#煤往上，存在富水性增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3 結(jié)語

1)綜合地面探測(cè)結(jié)果確定采空區(qū)為圖10所示面積54102.2 m2范圍，采空區(qū)富水性較弱且南部區(qū)域較北部強(qiáng)些。

2)采空區(qū)上部86 m層位巖體較富水。

3)暫時(shí)把兩種探測(cè)方法圈定的小窯采空區(qū)列為受小窯采空區(qū)水威脅的危險(xiǎn)區(qū)，再在該邊界外推60 m作為警戒區(qū)。在沒有采取任何防范措施前不允許進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)開展任何采掘活動(dòng)。同時(shí)請(qǐng)礦方安排地面鉆探工程對(duì)物探成果進(jìn)行驗(yàn)證，以利水害防治工作的開展。

4)井下2#煤層生產(chǎn)時(shí)，在距采空區(qū)60 m以外附近巷道采用鉆探輔以井下電法、瞬變電磁或礦井震法等物探手段進(jìn)一步精確確定采空區(qū)范圍及富水性，以前少資源損失、確保安全生產(chǎn)。進(jìn)一步確定采空區(qū)范圍后，在采空區(qū)周圍至少要留設(shè)30 m保護(hù)煤柱，在保護(hù)煤柱以外區(qū)域開展生產(chǎn)工作。

［1］ 虎維岳.礦山水害防治理論與方法［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［2］ 吳發(fā)紅.老塘水的預(yù)測(cè)與防治［J］.煤炭技術(shù)，2004，23(4):59.

［3］ 王志平.山西地方煤礦常見水患淺析［J］.煤炭技術(shù)，2003，22(12):54 －56.

［4］ 劉會(huì)明.上組煤老空積水對(duì)下組煤開采的影響分析［J］.山西焦煤科技，2012，(6):49 －52.

［5］ 孫吉益，李玉寶，李文峰，等.井下瞬變電磁技術(shù)在含水陷落柱治理中的應(yīng)用［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，6(4):47－50.

［6］ 張開元，韓自豪，周韜.瞬變電磁法在探測(cè)煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用［J］. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(4):341－343.

［7］ 王彥瑋，鄧堯增，潘丕業(yè)，等.SYT天然電磁波法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(4):164－166.

［8］ 王文祥，楊武洋.瞬論與天然電磁波法勘探［M］.西安:陜西人民出版社，2002.