超大采高工作面頂板基巖含水層富水性探測與處理技術

曲秋揚 張 亮

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013)

目前煤礦防治水中常用的物探方法主要有礦井直流電法、無線電波透視法、音頻電透視法和礦井瞬變電磁法。其中，由于本工作面煤層較厚，巷道成型后頂部賦存3 m厚的煤層，礦井直流電法和音頻電透視法均需要在煤層內部安設電極，操作難度較大；無線電透視法需要介質十分均勻，對煤巖層的要求較高，且測點布置要求復雜；礦井瞬變電磁法具有對低阻異常體反應靈敏、方向性強、體積效應小、橫向分辨率高、工作效率高等特點，使用率及準確性均有保證，因此，本項目選擇瞬變電磁法進行探測。郝家梁煤礦首采工作面設計采高7 m，頂板基巖從切眼附近6 m處逐漸增高至23 m。由于掘進過程中，發現基巖層中富含水，且該工作面東南側具有豐富的燒變巖水。因此，探討基巖中的含水層富含水性和燒變巖成為補水水源的可能性，制定合理的探放水方案并提前疏放是安全開采該工作面的基礎。

表1 首采工作面基巖層結構表

1 瞬變電磁探測技術原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布。在一次場的間歇期間，測量地下介質產生的感應二次場。該二次場的大小及衰減速度與地下地質體的導電性有關，如果巖石裂隙發育豐富，含水量較大，導電性好，則二次場衰減慢，反之，二次場衰減較快，根據二次場衰減曲線的特征就可以判斷地下地質體的電性、規模、產狀等。

圖1 瞬變電磁場煙圈效應

任一時刻地下渦旋電流在地表產生的磁場可以等效為一個水平環狀線電流的磁場。在發射電流剛關斷時，該環狀線電流緊接發射回線，與發射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環。等效電流環很像從發射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”。

從“煙圈效應”的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理。

2 郝家梁煤礦首采工作面概況

2.1 工作面概況

郝家梁首采工作面采用大采高綜采工藝，工作面設計采高7 m。工作面斜長220 m，推進長度約1830 m，如圖2所示。工作面范圍內煤層埋深約140～190 m，由切眼至停采線埋深逐漸增加，工作面屬俯斜開采，水源一直跟隨工作面。工作面巷道掘進過程中未揭露斷層構造，工作面煤層賦存穩定，構造簡單。

2.2 水文地質條件

井田范圍內的地下水分為兩大部分，分別為第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙潛水和中生界碎屑巖類裂隙孔隙水及承壓水。前者主要包括全新統沖洪積層孔隙潛水、上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水和第四系更新統黃土孔隙裂隙潛水。其中，以薩拉烏蘇組孔隙潛水為最強。但前者與后者中間具有一層廣布全區的黏土層，厚度為11.54～93.98 m，平均厚度53.13 m，巖性為棕紅色粘土及粉砂質粘土，其切斷了第四系潛水與基巖裂隙水的溝通渠道。所以，對工作面開采產生直接影響的為碎屑巖類裂隙孔隙水及承壓水以及東南方向存在的燒變巖含水層，各含水層的特征描述如下：

(1)侏羅系碎屑巖類風化帶裂隙水。全區分布，均隱伏于新近系靜樂組紅色粘土之下，含水層為基巖頂部的風化裂隙帶，一般厚20 m左右。據井田東北部Y24鉆孔抽水試驗成果，含水層厚度30.43 m，單位涌水量0.0015 L/(s·m)，滲透系數0.003 m/d，富水性弱。水化學類型為HCO3-Na·Ca型，礦化度為286.00 mg/L。

圖2 首采工作面位置圖

(2)碎屑巖類裂隙承壓水。分布于3#煤層之上，含水層主要為延安組第四段砂巖，以中粒砂巖為主，少量細砂巖，厚12～28 m，平均22.85 m。據鉆孔抽水試驗結果，水位埋深12.49～34.69 m，含水層厚度25.40～67.93 m，單位涌水量0.0001～0.095 L/(s· m)，滲透系數0.007～0.367 m/d，富水性弱。水化學類型為HCO3-Na· Mg·Ca型水，礦化度為284.08 mg/L。

(3)燒變巖含水層。分布于本井田東南部3#煤層自燃邊界線以外，厚度6.47～17.40 m。巖石較為破碎，為本區的主要含水層。煤層燃燒后，其頂板失重塌落造成的破碎層和裂隙密集帶具有良好的儲水空間及導水通道。通過火燒巖區SHH05及SHH11鉆孔抽水試驗，含水層厚度6.47～17.40 m，水位埋深24.36～28.48 m，降深28.17～43.58 m，涌水量34.56～41.73 m3/d，單位涌水量0.011～0.014 L/(s· m)，滲透系數0.066～0.235 m/d。富水性弱。水化學類型為HCO3-Mg·Ca型及HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為212.83～249.62 mg/L。

威脅超大采高工作面安全回采的主要為上述3個含水層。根據全工作面頂板基巖的結構、含水量、礦化度情況，利用瞬變電磁法得到各測線的視電阻率存在差別，根據視電阻率的異常特征，可反映出每個含水層的富水區域及富水程度。

3 探測方案與數據分析

3.1 物探設備及工作方法

本次物探使用澳大利亞的Terra TEM型儀器。該儀器具有采樣自動化程度高、壓制干擾能力強、實時監控等特點，數據采集由微機控制，自動記錄和存儲，可實現數據回放。

探測設備設置的參數主要有：回線邊長大小、回線匝數、疊加次數、終端窗口和增益等。根據郝家梁煤礦探測任務的要求和人文設施具體情況，采用重疊回線裝置，發射和接收線框采用10 m×10 m的矩形回線，回線匝數為12匝；采樣時窗為36；疊加次數為64；時間采用標準時間序列。

3.2 測點布置與工作量

本次瞬變電磁探測工作地點為首采工作面區域，沿走向布置測線，測線間距40 m，共布置10條測線，由工作面機尾至機頭方向分別布置為100線、140線、180線、220線、260線、300線、340線、380線、420線、460線。完成剖面長度29000 m，測點間距20 m，共完成1460個物探坐標點，完成檢測點32個，共完成物理點1492個。測線測點布置見圖3。

3.3 數據分析

首先，分析各條測線的視電阻率綜合剖面圖；其次，各條測線每個測道的視電阻率和視深度組成一個瞬變電磁測深的三維數據體，根據從不同角度切取的視電阻率等值線平面圖進行異常的綜合解釋，在這個過程中參考各條測線的視電阻率綜合剖面圖，最后，對所得到的各個異常帶依照異常的特征進行平面組合，圈出異常帶。

100線、140線、180線、220線、260線、300線、340線的視電阻率剖面圖具有較高的一致性，以260線為例說明。260線視電阻率剖面圖見圖4，圖中黑色線代表3#煤層。在剖面測線方向0～500 m、標高1100～1150 m處部分區域有低阻異常區，分析該異常區為火燒區富水區域；在剖面測線方向1300～2900 m、標高1100～1150 m處部分區域有低阻異常，分析該異常為煤層頂板的基巖風化帶的富水區域。

圖3 首采工作面物探測點布置圖

圖4 260線視電阻率剖面圖

380線、420線、460線在在剖面測線方向0～800 m、標高1100～1150 m處部分區域有一大范圍的低阻異常，分析該異常為火燒區的富水區域和基巖風化帶的富水區域，推測在該區域基巖風化帶的富水區域與火燒區的富水區域可能有水力聯系。在剖面測線方向1500～2900 m、標高1100～1150 m處有低阻異常，分析該異常為煤層頂板的基巖風化帶的富水區域。

瞬變電磁法勘探100 m切片平面圖見圖6。由圖6可以看出，低阻物探異常相對分散。一處較大的異常范圍位于各測線的500號點至700號點，推測為風化帶的富水區域；另外一些低阻異常范圍相對較小，且大多孤立分布。

圖5 420線視電阻率剖面圖

圖6 瞬變電磁法勘探100 m切片平面圖

從上述數據可看出，工作面機尾存在受燒變巖含水層影響的可能性，并且在推進1000 m后的基巖風化帶中富水性較強；機頭部分受燒變巖含水層存在與基巖含水層導通的可能性影響并且在推進1000 m后的基巖含水層富水性較好，兩者對開采影響較大。因此，機尾和機頭的受水影響區域，一是集中在工作面初采期間，二是集中在工作面推進1000～2000 m距離內。

4 探放水方案設計與涌水量統計分析

4.1 方案設計

根據富水性區域的物探結果，制定探放水鉆孔方案。本次頂板水探放工程共布置鉆孔58個，總進尺3157 m。其中，由于2301工作面切眼位置處于基巖柱最薄弱區域，在工作面切眼布設4個鉆場、17個鉆孔。運輸巷布置19個鉆孔，回風巷布置22個鉆孔。

圖7 工作面頂板水探放鉆孔平面布置圖

探放水鉆孔自工作面巷道頂板完整粉砂巖段開孔，穿透基巖風化帶含水層后終孔。鉆孔開孔直徑127 mm，煤層直接頂板粉砂巖、砂質泥巖段安設?108 mm、壁厚6 mm的孔口管，孔口止水套管長度應不小于5 m。在管口段以外以?75 mm裸孔鉆進。孔口安裝耐壓閥門、壓力表和流量計，對孔口水流量進行統計分析。

4.2 鉆孔涌水量統計分析

根據實際探放水孔的統計分析，58個孔中有15個孔長期具有一定的涌水量，初期有3個鉆孔的出水量達到2 m3/h以上，初始水量合計為17.91 m3/h，放水一定時間后涌水量略有縮減，呈現穩定泄水的情況，總水量合計12.26 m3/h。其中，3個出水量較多的點分別在切眼與回風巷交叉口處、運輸巷推進1400 m處和運輸巷推進1700 m處。實際數據的統計分析結果同瞬變電磁法的物探富水區結構較為一致。

5 結論

(1)對工作面開采產生影響的主要是紅土層以下的侏羅系碎屑巖類風化帶裂隙水、碎屑巖類裂隙承壓水和工作面東南方向的燒變巖含水層。

(2)通過瞬變電磁法探測出工作面在初采期受燒變巖含水層和頂板基巖含水層的雙重影響，在推進1000 m后，主要受頂板基巖含水層的影響。

(3)根據物探結果對頂板基巖進行鉆孔探放水，3個出水量較多的點分別在切眼與回風巷交叉口處、運輸巷推進1400 m處和運輸巷推進1700 m處，距現場實際數據分析可知，瞬變電磁探測結果準確，設計方案達到了疏放水的目的，保證了工作面的安全順利開采。