煤礦超寬工作面頂板富水性探測(cè)技術(shù)

張浩楠

（烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307）

0 引言

頂板水害一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，納林河二號(hào)井的主要水害威脅為頂板河流相沉積砂巖含水層，對(duì)礦井安全生產(chǎn)影響較大。正常情況下，煤系地層在橫向與縱向上的物性變化都有規(guī)律可循。當(dāng)有構(gòu)造發(fā)育時(shí)，一方面會(huì)出現(xiàn)層位錯(cuò)動(dòng)，另一方面是裂隙充水，即局部出現(xiàn)明顯的含導(dǎo)水構(gòu)造。由于礦井裂隙水的導(dǎo)電性好，使含導(dǎo)水構(gòu)造在電性上表現(xiàn)出與圍巖較大的差異，從而打破了原始地層電性在縱向與橫向上的變化規(guī)律。這些變化為以導(dǎo)電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ)的電磁法探測(cè)技術(shù)提供了良好的物性前提。

目前國內(nèi)外針對(duì)工作面隱蔽突水致災(zāi)源探查的方法主要有直流電法以及音頻電透視法等，電磁類方法主要根據(jù)煤層及工作面頂?shù)装鍘r層電學(xué)性質(zhì)差異進(jìn)行探測(cè)。直流電法勘探受井下空間限制，探測(cè)深度一般在100m以內(nèi)，礦井瞬變電磁法探測(cè)的有效深度一般不超過110m，因此對(duì)工作面寬度大于250m的超寬工作面頂板含水層富水性異常的探測(cè)主要采用以透視為主的物探方法。音頻電透視法也是直流電法的分枝，其特點(diǎn)為對(duì)低阻異常體反映靈敏、信息采集量大和探測(cè)距離遠(yuǎn)、變頻可控、施工效率高。音頻電穿透能夠探測(cè)到工作面煤層內(nèi)部及工作面頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)巖層的隱蔽導(dǎo)水構(gòu)造及富水性異常區(qū)，最大探測(cè)深度320m。

該文以烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二號(hào)礦井31116工作面頂板音頻電透視為例，加以鉆探結(jié)果驗(yàn)證，證明音頻電透視法對(duì)頂板富水性探測(cè)具有很好的效果，更能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的探測(cè)需求。

1 超寬工作面頂板富水性探測(cè)重點(diǎn)與難點(diǎn)

31116工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1900m，面寬301m（屬于超寬工作面）。據(jù)31116工作面平面位置與勘探鉆孔之間的距離，取MD43、NL14、MD09、NL24、MD13鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。據(jù)相鄰工作面導(dǎo)水裂縫帶高度探測(cè)結(jié)果分析，該面采后直接充水含水層主要為3-1與2-1煤層之間的延安組三段含水層和2-1上煤層頂板直羅組一段含水層。從圖1可以看出3-1煤與2-1煤層之間延安組三段含水層和2-1煤頂板直羅組一段含水層分布不連續(xù)，對(duì)比性差，且在NL24鉆孔以南區(qū)段鉆孔未見砂巖含水層，說明該區(qū)段砂巖分布不穩(wěn)定，且主要呈透鏡體展布特征。

圖1 31116工作面頂板煤巖對(duì)比圖

由于燕山運(yùn)動(dòng)的影響，地層整體被抬升，將延安組三段部分剝蝕。直羅組沉積時(shí)期區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育為河流相沉積，尤其以曲流河為主，底部發(fā)育辮狀河，向上變?yōu)榍骱映练e。多種復(fù)雜沉積相作用造成工作面頂板覆巖多沉積旋回，巖層槽狀交錯(cuò)、平行、沖刷面等層理較為發(fā)育，導(dǎo)致巖層間不整合接觸帶較為發(fā)育。復(fù)雜沉積環(huán)境相應(yīng)造就了復(fù)雜的巖相古地貌，同樣導(dǎo)致了工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也導(dǎo)致了不同巖層富水性的復(fù)雜性和同一巖層富水性的不均一性。為了查明砂巖含水層分布特征，為頂板水防治提供科學(xué)依據(jù)，該文進(jìn)行了含水層沉積相與富水性特征研究。工作面頂板砂巖含水層分布具有以下特征：沉積相控制砂體的分布及其特征；首采工作面頂板含水層（特別是直羅組下段含水層）存在“水壓高、水量大、分布廣泛”的特點(diǎn)；含水層富水性存在明顯的條帶性和可疏放性。

3-1煤頂板巖層水文地質(zhì)條件的復(fù)雜、不均一使31116超寬工作面頂板疏放水難度大。因此，選用音頻電透視方法對(duì)3-1煤頂板含水層富水特征進(jìn)行快速、有效的探測(cè)和圈定，從而對(duì)工作面頂板富水區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)防治。

2 施工方法與技術(shù)

超寬工作面音頻電透視法是在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸巷同時(shí)作業(yè)，工作方式和無線電波透視法類似，通過在工作面一側(cè)激發(fā)低頻電磁波波場(chǎng)，在工作面另一側(cè)對(duì)煤層頂?shù)装宀煌瑓^(qū)域和位置的電位差進(jìn)行測(cè)量，取得不同路徑范圍內(nèi)電磁場(chǎng)衰減的差異，通過資料處理反演擬合，計(jì)算出工作面內(nèi)頂?shù)装逡欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的視電阻率，進(jìn)行平面或三維成像的一種物探方法。在超寬工作面內(nèi)以發(fā)射點(diǎn)為中心，對(duì)工作面內(nèi)部及頂、底板進(jìn)行扇形掃描，以此獲取巷道間工作面內(nèi)及頂、底板中的電場(chǎng)分布規(guī)律，達(dá)到探測(cè)工作面頂板含水層富水性及導(dǎo)水構(gòu)造異常的目的，如圖2所示。

圖2 超寬工作面音頻電透視扇形掃面方式

為了提高超寬工作面探測(cè)區(qū)域的覆蓋次數(shù)，該次施工選用每50m一個(gè)發(fā)射點(diǎn)、每10m一個(gè)接收點(diǎn)的施工方式，在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸巷各布置發(fā)射點(diǎn)39個(gè)（A1、A3…A39），接收點(diǎn)191個(gè)（M1、M2…M191）。1個(gè)點(diǎn)發(fā)射，21個(gè)點(diǎn)接收。施工順序?yàn)閺幕仫L(fēng)順槽發(fā)射，運(yùn)輸巷接收；從運(yùn)輸巷發(fā)射，回風(fēng)順槽接收，均由從切眼位置向外順序觀測(cè)。該次施工超寬工作面長(zhǎng)度為1900m，探測(cè)區(qū)域?yàn)?m～120m。布置音頻電透視檢查點(diǎn)100個(gè)，質(zhì)量檢測(cè)工作量占總工作量的6.1%，符合物探施工規(guī)范5%的要求。

為了保證該次超寬工作面音頻電透視法探測(cè)結(jié)果的可靠性，該次施工先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了畸變點(diǎn)剔除和供電電流強(qiáng)度歸一化等預(yù)處理；為消除供電電極、測(cè)量電極系統(tǒng)裝置形式對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全空間視電阻率計(jì)算；為突出供電電極和測(cè)量電極間不同深度電性異常體的地電響應(yīng)特征，進(jìn)行了按測(cè)量電極偏移距抽道集處理。

音頻電透視資料處理的關(guān)鍵是正確配置各接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)空間屬性參數(shù)，這是視電阻率計(jì)算、抽取道集和電阻率成像的重要基礎(chǔ)。該次31116超寬工作面施工數(shù)據(jù)處理采用兩種方法：人工交匯法和CT成像法，同時(shí)將相關(guān)地質(zhì)資料和音頻電透視法探測(cè)成果進(jìn)行綜合運(yùn)用，對(duì)富水異常區(qū)和隱蔽含導(dǎo)水裂隙帶等隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行三維可視化建模，得到工作面頂板富水異常區(qū)位置的三維模型，直觀地顯示出富水異常區(qū)在橫向和垂向上分布情況，為指導(dǎo)煤礦防治水鉆孔施工提供直觀可靠的資料。

3 礦井音頻電透視成果分析

音頻電透視的二維平面圖僅顯示頂板富水區(qū)的平面展布和分布區(qū)域，無法在垂向上顯示富水異常區(qū)范圍，給煤礦防治水設(shè)計(jì)造成了困難。而將三維反演應(yīng)用到音頻電透視法數(shù)據(jù)處理與資料解釋中，實(shí)現(xiàn)了工作面頂板富水區(qū)分布位置的精細(xì)探測(cè)，為頂板防治水設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

綜合31116超寬工作面音頻電穿透異常特征，并結(jié)合疏放水鉆孔資料及水文地質(zhì)資料，得出的對(duì)各異常區(qū)性質(zhì)的分析如下：在31116超寬工作面頂板發(fā)現(xiàn)5處富水異常區(qū)域，從回撤通道向切眼方向標(biāo)號(hào)依次為1、2、3、4、5（如圖3所示）。其中1號(hào)富水性異常在31116工作面頂板上45m～110m發(fā)育，范圍較小，為相對(duì)富水性弱異常，推斷1號(hào)異常區(qū)主要為2-1煤頂板細(xì)砂巖含水層和直羅組底部含水層富水性增強(qiáng)所致；2號(hào)主要分布在工作面頂板上60m～120m，富水集中區(qū)域在運(yùn)輸巷頂板上方120m范圍，整體富水性幅值為中等，推斷2號(hào)異常區(qū)主要為直羅組底部砂巖含水層局部富水性增強(qiáng)所致；3號(hào)富水性異常主要分布在頂板上方65m～115m，范圍較小，分布比較分散，整體富水性幅值比較弱，推斷3號(hào)異常區(qū)主要為2-1煤頂板細(xì)砂巖含水層和直羅組底部砂巖含水層局部富水性增強(qiáng)所致；4號(hào)異常區(qū)主要分布在頂板上70m～120m，分布范圍較小，異常呈條帶狀分布，富水性幅值相對(duì)較強(qiáng)，推斷4號(hào)異常區(qū)主要為直羅組底部砂巖含水層局部厚度變厚、富水性增強(qiáng)所致；5號(hào)異常區(qū)主要分布在頂板上30m～120m，分布范圍比較大，異常呈條帶狀分布明顯，富水性異常幅值為中等，推斷5號(hào)異常區(qū)主要為3-1煤頂板細(xì)砂巖含水層和2-1煤頂板細(xì)砂巖含水層厚度增厚、富水性增強(qiáng)，直羅組底部砂巖含水層富水性增強(qiáng)共同所致。

圖3 31116超寬工作面頂板含水層富水性異常三維模型圖

該次頂板探測(cè)施工期間及施工結(jié)束后，礦方在31116工作面兩順槽內(nèi)進(jìn)行了疏放水鉆孔施工，根據(jù)終孔水涌水量、鉆孔終孔水壓和音頻電透視探測(cè)異常區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示，在1250m～1920m附近，終孔涌水量均大于10m3/h，特別是5號(hào)異常區(qū)附近終孔最大涌水量達(dá)到16.6m3/h。在4號(hào)和5號(hào)異常區(qū)附近，終孔涌水量出現(xiàn)2個(gè)峰值。如圖5所示，鉆孔終孔水壓為1.2MPa～3.3MPa，平均水壓力為1.77MPa。通過圖4可以看出，整個(gè)工作面頂板同樣存在2處主要的高水壓區(qū)。

圖4 31116工作面頂板物探異常區(qū)與疏放水鉆孔終孔涌水量分布對(duì)比

圖5 31116工作面頂板物探異常區(qū)與疏放水鉆孔終孔水壓分布對(duì)比圖

①號(hào)高水壓區(qū)：該范圍對(duì)應(yīng)前面所分析的4號(hào)異常區(qū)。①號(hào)高水壓區(qū)內(nèi)鉆孔終孔壓力均達(dá)到1.8MPa，最高鉆孔終孔水壓可達(dá)到2.0MPa。

②號(hào)高水壓區(qū)：該范圍對(duì)應(yīng)前面所分析的5號(hào)異常區(qū)。②號(hào)高水壓區(qū)內(nèi)鉆孔終孔壓力多數(shù)達(dá)到1.8MPa，最高鉆孔終孔水壓可達(dá)到3.3MPa。

綜合對(duì)比終孔水量、水壓和物探異常區(qū)的分布對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在物探重點(diǎn)異常區(qū)（4號(hào)和5號(hào)異常區(qū)）附近，終孔水量、水壓均較大。物探結(jié)果與31116工作面頂板含水層富水性分布趨勢(shì)相吻合。證明該次31116超寬工作面音頻電透視探測(cè)頂板富水異常區(qū)結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)31116超寬工作面頂板砂巖含水層富水性的探測(cè)研究，驗(yàn)證了物探成果與疏放水鉆孔的終孔涌水量、水壓高度吻合，證明音頻電透視法對(duì)工作面寬度大于250m的超寬工作面富水性探測(cè)具有非常高的可靠性。

該文采用三維反演建模方法對(duì)31116工作面物探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了工作面頂板含水層富水區(qū)、物探異常區(qū)水壓的三維模型，達(dá)到了對(duì)頂板疏放水鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、準(zhǔn)確疏放含水層水、有效指導(dǎo)頂板含水層治理的目的。