瞬變電磁技術在底板采空區富水性探測中應用

劉勇洪

(山西煤炭職業技術學院,山西省太原市,030031)

瞬變電磁技術在底板采空區富水性探測中應用

劉勇洪

(山西煤炭職業技術學院,山西省太原市,030031)

采用基于雙煙圈效應理論的礦井瞬變電磁法對梨樹園煤礦老采空區內部富水狀態及其邊界進行探測,依據測試數據將測試區域劃定了2處高阻異常區和4處低阻異常區。對于初步探測到的底板富水區域,提前采取自然排水和低洼處排水降壓的措施,避免開采過程中水害事故的發生。

底板采空區 水害事故 富水性探測 瞬變電磁法 排水降壓

突水事故是煤礦常見災害事故之一,多數發生在富水礦井的采掘過程中,主要原因是防治水措施不到位,進而導致地表或者地下水通過塌陷區、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存在大量積水且充水情況不明時,一旦底板導水裂隙充分發育與底板采空區溝通形成導水通道,將發生嚴重水害事故。而物探技術可以較為方便準確地查明掘進巷道前方或者工作面內頂底板隱伏含水異常構造區具體位置,在事故發生前采取治理措施,盡可能避免災害事故的發生,因此超前探測技術有重要的實際意義。

現應用比較廣泛的物探技術有瞬變電磁技術、無線電波透視技術和音頻電透視技術等,而礦井瞬變電磁技術作為時域的一種物探方法,因其具有檢測異常更直接、探測效果更明顯、原始數據保真度更高等優點近年來而被廣泛應用?；陔p“煙圈效應”理論,本文采用礦井瞬變電磁探測技術,沿工作面布置直線形測點,根據測試結果確定工作面底板采空區內部富水狀態及其邊界。

1 工程概況

山西梨樹園煤業是經兼并重組整合而成的礦井,井田范圍內舊小煤窯較多,地質資料顯示井田內共有19座小煤窯,24個井口,整合后礦井生產規模為120萬t/a。井田范圍內可采煤層為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°,煤層結構比較簡單,頂板多為粉砂巖、細砂巖、砂質泥巖、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泥巖,個別為中砂巖和粉砂巖,底板巖層大部為泥巖和砂質泥巖,局部為細砂眼、粉砂巖。礦井設計的首個回采工作面1101工作面采用綜合機械化開采,主采1＃煤層,煤層厚度在0.65～2.83 m之間,工作面設計走向長度800 m,傾向長度230 m。

整合前,一些小煤窯聯合開采1＃、2＃煤層,一些則單獨開采1?；蛘?＃煤層,據礦井提供地質資料顯示,2＃煤層存在6處采空區,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及較高的富水異常區。預計2＃煤層范圍內小煤窯采空區面積約13.6萬m2,積水量約為9萬m3,采空區邊界離1＃煤層的1101工作面最小水平距離為80 m,但是地質資料只能作為簡單參考,不能顯示真實的采空區內富水邊界,這將給工作面開采過程中的水害防治工作帶來不確定性和極大的挑戰。1101工作面位于奧灰水下,1＃、2＃煤層均采空后,層間巖層或將斷裂失穩,導水裂隙帶充分發育、裂隙帶高度大大增加,將形成導水通道,溝通含水層,引發水害事故。為確保1101工作面初采期間安全順利推進,有必要弄清底板下部不規則房式采空區充水邊界及其富水狀態。

2 瞬變電磁法探測技術

2.1 基本原理

礦井瞬變電磁技術(TEM)的工作原理如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁技術工作原理

在煤礦井下巷道內鋪設邊長為1.5 m的多匝小回線裝置,向小回線裝置中輸入階躍電流,當回線中的電流突然斷開時,回線裝置的上下空間會產生渦流感應,來保持電流斷開前已經存在的電磁場,同時產生的感應渦流場會以等效渦流的形式向線框上下兩側擴展。渦流磁場的變化情況可以應用不接地線圈進行觀測,礦井瞬變電磁法探測技術屬于全空間的瞬變響應,來源于回線平面上下兩側的底層,簡稱雙煙圈效應。

線框收到的感應電動勢是探測范圍內巖層特征的綜合響應,這種綜合響應可以表現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,其視電阻率相對越大,當巖石受地質構造運動等作用時,巖石常發育有破碎裂隙或空隙,但是當巖石的裂隙或空隙中含有水時,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下降。由此尋找下部地層富水區的問題,就轉換為尋找構造中低阻異常分布的問題。正常狀況下,地層由上到下其視電阻率呈現由低到高的特征,水平橫向上變化不大,但是當同一水平上巖層受構造發育產生裂隙特征或者含水較多時,那么巖石的視電阻率特征會出現異常點或者畸變點,通常這是根據電法來尋求地質異常構造體或者含水層的依據。

2.2 技術方案

礦井瞬變電磁探測技術裝置選擇重疊的邊長為1.5 m的多匝矩形回線,疊加32次,發射部分的線框個數為10匝,接收部分的線框個數為24匝。探測測點布置于工作面切眼及兩側巷道,巷道斷面為矩形,高2.5 m,采用錨網、工字鋼支護。物理測點的布置間距為10 m,共有98個,測線布置如圖2所示。

圖2 測線位置示意圖

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

2.3 結果分析

測試得到的TEM視電阻率等值線斷面圖如圖3所示。

圖3 測線的視電阻率斷面等值線圖

從圖3(a)中可以看出,L1測線的相對視電阻率值存在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,此范圍內對應巷道表面未見明顯滲水、淋水,整體較為干燥,結合巷道掘進期間斷面破碎情況,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,從而導致相對視電阻率的異常增大。由圖3(b)可知,L2測線的相對視電阻率值存在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＃異常區位于距切眼115～160 m范圍,向工作面傾向延伸約60～100 m,根據巷道揭露及底板鉆孔出水情況,初步判斷該范圍內存在較大面積的采空區,且已經與邊界外采空區連通,富水性強,是梨樹園煤業防治水的重點。圖3(c)可知,相對視電阻率值存在2處低阻異常,其值小于4Ω·m,其中2＃異常區位于上端頭50～100 m范圍,3＃異常區位于距切眼0～30 m范圍,結合此范圍內斷層揭露情況及掘進期間超前底板鉆探結果,初步判斷該范圍切眼下方無采空區,認為該區域內構造發育、裂隙較多、富水性增強是導致視電阻率較低的原因。圖3(d)可知,相對視電阻率值存在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,結合L2測線探測結論及掘進期間超前底板鉆探結果,判斷該范圍底板存在大量的采空區,且富水性較強。

從圖3的數據分析中可知,L1測線的2處高阻異常區是斷層影響且干燥的破碎帶區域,L2測線的1處大面積低阻異常是富水性較強的采空區域,L3測線的2處低阻異常是構造裂隙發育且富水性較強的區域,但無采空區,L4測線的1處大面積低阻異常是富水性較強的采空區域,將以上各地質解釋繪在工作面中如圖4所示。

圖4 瞬變電磁法探測結果

3 治理措施

瞬變電磁探測結果表明底板采空區存在大量積水,為防止水害事故的發生,首先采用自然排水的方式,但是就目前排水情況來看,水位標高仍高于初采區域最低點,底板采空區下仍存有大量積水。當工作面推進至初采區域時,采場及后方采空區底板大量涌水會導致底板泥巖軟化、強度降低,極可能出現支架、刮板輸送機歪斜、陷底、倒架等現象,嚴重影響推進速度,進而加劇底板的破壞。針對初采區域最低點可能面臨的難題,為保證低洼處能夠安全推進,決定在最低洼區域采用底板排水降壓的方式。排水孔布置方案及鉆孔參數如圖5及表1所示,即在進風巷最低洼處布置小俯角底板排水鉆孔,使得排水孔口標高盡量降低,由于進風巷45＃測點靠近富水采空區邊界,且處于低洼位置,在45＃測點附近靠近切眼側10 m處,分別向兩幫底板鉆孔至采空區位置,共設計施工4個鉆孔,兩幫各2個,設計終孔的實際深度以鉆探見水為準。

圖5 排水孔布置示意圖

表1 進風巷排水孔參數

低洼處排水降壓時一旦發現底板鉆孔大量出水,即使水壓不大,亦應盡量疏排采空區水體,因此必須保證孔內盡可能無堵塞,使流水保持暢通。針對實際施工中遇到不穩定煤巖層時經常塌孔、影響疏排效果的問題,鉆孔采用2級結構,孔內必須下入一定的孔口管,孔口處安設法蘭盤、放水三通及壓力表等。在工作面回采期間,實時監測底板排水鉆孔出水量變化、工作面底板出水量變化、危險區域底板出水量變化以及防排水設施運行狀況。梨樹園煤礦1101工作面從開切眼推進至39＃測點過程中,只觀察到部分采場底板為泥巖或砂質泥巖,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,待推采至39＃測點以外,采場小幅度仰采,標高逐漸增加,后方采空區出水量逐漸降低、直至消失,未發生嚴重危害生產的透水事故現象。

4 結論

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

(2)礦井瞬變電磁法是近年來發展較為迅速的一種礦井物探技術,具有快速、經濟、行之有效的優點,該法在梨樹園煤礦1101工作面的成功運用為同類礦井的底板采空區富水性探測提供了參考,在富水探測方面具有廣泛的應用前景。

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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,碩士學歷,主要從事煤礦開采、煤礦安全、巷道支護等方面的教學和研究。

(責任編輯 郭東芝)

劉勇洪.瞬變電磁技術在底板采空區富水性探測中應用[J].中國煤炭,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.