瞬變電磁法探測(cè)帶壓開(kāi)采工作面突水性的分析研究

王晉偉

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局,太原 030012)

1 瞬變電磁探測(cè)實(shí)例

1.1 工作面水文地質(zhì)條件

太原東山煤礦位于沁水煤田東山背斜西翼,為地層總的走向北北西,傾向南西西的單斜構(gòu)造。井田被17條傾向正斷層切割為8個(gè)塊段。F17斷層走向近東西,傾向南,傾角75°,落差約70 m,造成斷層上盤煤層和對(duì)盤奧灰?guī)r溶含水層對(duì)接,井田帶壓開(kāi)采,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

71506工作面靠近F17斷層,距離工作面東側(cè)300 m處,71503工作面揭露了落差約20 m的正斷層F17’,其走向平行延伸,F17’斷層位置距71506切眼外約20 m處,顯示了F17斷層組合的復(fù)雜性,初步分析為F17的派生斷層。

1.2 瞬變電磁探測(cè)思路及方法(材料巷及切眼后斷層富水性探測(cè))

測(cè)點(diǎn)布置方法,以水平方向、斜下45°、斜上45°向煤柱探測(cè)F17 及其派生斷層。工程布置如圖1所示。采用不共面同軸偶極方式(中心式)如圖2所示。

圖1 東山煤礦71506工作面瞬變電磁探測(cè)工程布置示意圖Fig.1 Engineering layout of TEM detection on No.71506 working face in Dongshan Coal Mine

圖2 瞬變電磁系統(tǒng)中心工作方式Fig.2 Working mode of TEM system center

1.3 瞬變電磁富水性探測(cè)

1)材料巷富水性探測(cè)。圖3為71506工作面材料巷瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線圖。材料巷從起始點(diǎn)切眼到絞車房,整個(gè)探測(cè)剖面內(nèi)可以較清楚地看到,底板深度約70 m的位置存在著高阻層,是奧陶系灰?guī)r的頂界面。回風(fēng)巷底板存在著4個(gè)電阻率異常區(qū)。

①異常區(qū)Ⅰ位于切眼處,深度大于90 m,顯然異常區(qū)已經(jīng)深入至奧陶系灰?guī)r含水層的內(nèi)部,懷疑為F17或者其派生斷層引起的。

②異常區(qū)Ⅱ距起始點(diǎn)(切眼)150 m～170 m的范圍內(nèi),中心位置為160 m,深度約為70 m,沒(méi)有深入至奧陶系灰?guī)r含水層的內(nèi)部。

③異常區(qū)Ⅲ距離切眼分別為310 m～330 m,深度達(dá)65 m,沒(méi)有向下延伸趨勢(shì)。

④異常區(qū)IV距離切眼分別為390 m～440 m,深度達(dá)75 m,沒(méi)有向下延伸趨勢(shì)。

2)切眼煤柱后F17’斷層富水性探測(cè)。切眼煤柱的三條測(cè)線都顯示出煤壁內(nèi)約20 m為低阻異常,結(jié)合71503工作面揭露的H=20 m一條F17的派生斷層。

圖4 71506工作面切眼向著煤柱水平方向瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線圖Fig.4 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the horizontal direction of coal pillars

水平方向富水性探測(cè)。圖4為71506工作面切眼向著煤柱水平方向瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線圖。切眼煤柱內(nèi)部水平方向,平均約18 m的深度存在著低阻條帶,低阻條帶的寬度約10 m。其中運(yùn)輸巷40 m處和110 m處的低阻寬度較大,有向外延伸趨勢(shì)。

圖5 71506工作面切眼向煤柱斜下45°瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線圖Fig.5 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the direction of 45°down the coal pillars

圖5,顯示底板45°方向約10 m～20 m的深度內(nèi)存在著低阻帶,寬度約10 m。其中在距離材料巷20 m～30 m的區(qū)間低阻異常區(qū)深度達(dá)40 m。

圖6顯示底板45度方向約10 m～20 m的深度內(nèi)存在著低阻帶,寬度約10 m。

圖6 71506工作面切眼向煤柱斜上45°瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線圖Fig.6 Contour map of TEM apparent resistivity of open-off cuts of No.71506 working face in the direction of 45°up the coal pillars

2 突水危險(xiǎn)性分析

2.1 底板突水危險(xiǎn)性分析

1)底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)依據(jù)。按照《煤礦防治水規(guī)定》突水系數(shù)式(1),底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m[6]。

2)底板富水性分析。根據(jù)材料巷的探測(cè)結(jié)果,材料巷這個(gè)異常區(qū)都位于橫切71506工作面的H=4 m的高角度(80°)斷層的兩側(cè),異常區(qū)的深度較小,富水性為該斷層所致,其水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。

3)底板突水危險(xiǎn)性分析。計(jì)算工作面正常地段工作面最大突水系數(shù)0.019 MP/m,突水危險(xiǎn)性較小。

2.2 切眼煤柱突水危險(xiǎn)性分析

1)水平方向突水分析。水平方向評(píng)價(jià)依據(jù)，斷層導(dǎo)水的情況下,防隔水煤(巖)柱的留設(shè)原則,其斷層水在順煤層方向上的煤柱依據(jù)式[3](1)。

(1)

式中:L為煤柱留設(shè)的寬度,m；K為安全系數(shù)(一般取2～5);M為煤層厚度或采高,m;P為水頭壓力,MPa;KP為煤的抗張強(qiáng)度,MPa。

切眼水平方向突水危險(xiǎn)性分析。如果按太原東山煤礦煤層抗拉強(qiáng)度多年來(lái) 0.06 MPa,富水強(qiáng)的位置集中在距切眼20 m～40 m距離內(nèi),小于應(yīng)該留設(shè)的最小煤柱52 m,存在危險(xiǎn)性。

2)切眼頂板、底板方向突水危險(xiǎn)性分析。評(píng)價(jià)依據(jù)，斷層導(dǎo)水,其底板方向安全距離HA值可以按下列式(2)計(jì)算[3]

(2)

切眼底板方向突水危險(xiǎn)性分析。從切眼底板方向看,斜45°向下探測(cè),富水性強(qiáng)的區(qū)域在10 m～40 m,富水區(qū)域大于32 m安全距離,同時(shí),依據(jù)斷層傾向,斷層面遠(yuǎn)離工作面,富水帶向工作面方向移動(dòng),斷層富水帶與15#煤層底板巖溶裂隙含水層對(duì)接,其突水危險(xiǎn)性與含水層裂隙發(fā)育程度有關(guān),開(kāi)采時(shí)位于底板破壞帶,易形成滯后突水。

切眼頂板方向突水分析。頂板方向斜向上45度探測(cè),富水性強(qiáng)的位置在10 m～20 m,一方面斷層靠近工作面,;一方面頂板20 m范圍有L1、L2、L3灰?guī)r含水層,富水帶與15號(hào)煤層灰?guī)rL1含水層對(duì)接,開(kāi)采時(shí)頂板裂隙溝通富水帶發(fā)生突水危險(xiǎn)性最大。開(kāi)采后期導(dǎo)水裂隙帶溝通上覆L2、L3等含水層滯后突水可能也存在。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)底板富水性較弱,開(kāi)采時(shí)正常底板突水危險(xiǎn)性較小。

2)切眼外側(cè)受落差20 m的F17派生斷層影響,該斷層富水性較強(qiáng),存在側(cè)向補(bǔ)給15號(hào)煤層頂板含水層造成突水的可能,工作面突水危險(xiǎn)性最大。

3)切眼煤柱受來(lái)自F17派生斷層斷層水壓破壞開(kāi)采后受采動(dòng)影響易形成滯后突水,是防范中的重點(diǎn)。