燕子山煤礦8202工作面上覆多層采空區水害勘探技術應用

程 帥

(晉能控股煤業集團 燕子山礦，山西 大同 037037)

1 工程概況

燕子山煤礦8202工作面地面位于小蒜溝村保護煤柱以北，馬脊梁溝以西的山梁地帶，地面有少量楊樹，埋深377～512/445 m.雨季時有少量積水，地面水體、建筑物對采掘作業施工無影響。8202工作面井下位于4號層302盤區，工作面煤層結構復雜，厚度穩定，煤層有益厚度為5.12～9.34 m，有7～9層0.12～1.18 m的夾石，工作面對應上覆11號、14-2號、14-3號煤層采空區，結合礦區相似工作面生產實踐經驗，工作面回采期間上覆采空區積水或將通過封閉質量不佳的鉆孔涌入工作面，危險工作面的安全生產，為掌握上覆采空區富水情況，保障工作面的安全生產，擬通過井上下瞬變電磁資料解釋方法掌握上覆采空區富水情況，并設計合理的防治措施。

2 上覆采空積水位置探測可行性分析

燕子山煤礦8202工作面上覆可采煤層主要有11號、14-2號及14-3號煤層，結合以往采掘工程布置情況得知，8208工作面上覆三層煤層基本均已采空，與14-3號煤層采空區間垂直距離約為168 m，14-3號煤層厚度為1.12～3.98 m，均厚2.79 m，14-3號煤層與14-2號煤層層間距約為8 m，14-3號煤層開采將通過垮落帶裂隙帶與上覆14-2號煤層采空區聯通；14-2號煤層厚度3.65～3.89 m，均厚2.96 m，與上覆11號煤層平均層間距為25.7 m，14-2號、14-3號煤層均開采后，同樣有可能通過垮落帶和裂隙帶與上覆11號煤層采空區聯通。采空區上覆巖層破碎垮落后，巖性疏松，整體密度變小，垮落帶內裂縫、裂隙異常發育，相對于正常地層層位存在一定程度紊亂的現象，局部甚至形成較小的空洞，導致該區域內的電阻率上升；裂隙帶內巖層的巖層變化不是很明顯，但其裂隙發育程度相對于原地層較高，裂隙導致該部分巖層的導電性變弱，視電阻率升高[1-2]。采空區積水一般位于最下方煤層采空區內，當采空區垮落帶、裂隙帶內積水時，該區域的電阻率將明顯降低，綜上可知，燕子山煤礦8202工作面上覆采空區具備良好的瞬變電磁法勘探條件。

3 探測方法及工程布置

本次勘察的主要任務是查明8202工作面上覆三組煤采空區內積水的情況，結合國內相關研究成果[3-4]，瞬變電磁法對于高阻結構體穿透力強，對于富水低阻結構體反應靈敏，但是當進行多層采空區的勘探時，地面瞬變電磁響應在第一層采空區積水影響下將變得很微弱，對于下部第二層、第三層采空區的探測結果精確程度將有所下降，此時可通過在井下回采巷道對上覆采空區進行探測，可避免首層采空區的低阻屏蔽效益，若想實現井上井下對于同一目標層位的勘探，需要保證井上井下探測位置的統一性。

本次勘探井下測點、測線布置在8202工作面的回采巷道內，地面測點根據井下測點至勘探對應位置的地面投影點進行布置，井下瞬變電磁勘探可以多角度進行探測，因此地面測線沿工作面推進方向平行布置，并向工作面兩側延伸，確保井上、井下探測的目標層位一致。井下探測裝置在兩個巷道內接收信號，為確保探測距離不超出儀器的極限，需對井下探測的角度進行分析，本次所有儀器的最大探測距離為200 m，因此設計探測的角度α為-60°、-75°、0°、75°、60°，計算可知探測的最遠距離為185 m，在儀器允許的探測范圍內。為盡量避免回采巷道內材料車、膠帶機等金屬設備對于信號的干擾，井下測點選擇在干擾物相對較少的巷段，回風巷內測點及測線布置在采位線600～1 000 m，運輸巷布置在采位線1 000～1 600 m，井下瞬變電磁測點間距為10 m，采用多匝重疊回線采集數據，線圈采用邊長1.5 m的正方形，發射頻率為6.25 Hz，疊加30次。井上地面測點的間距為10 m，平行測線間的距離為20 m，采用發射線框邊長300 m的大定源回線裝置，發射頻率為25 Hz，在中部邊長三分之一進行數據采集，接收線圈等效接收面積100 m2，8202工作面井上下瞬變電磁測點、測線布置原理如圖1所示。

3.1 地面瞬變電磁法

通過對現場采集數據的處理，得到上覆采空區不同層位的視電阻平面圖如圖2所示，各煤層采空區的視電阻率等值線數值為70～140 Ω·m，局部存在明顯的低阻異常區，低阻區內視電阻率為70～90 Ω·m，低阻區的水平投影形態呈現不規則型，三個煤層層位出現低阻異常區的位置基本一致，這三處低阻區很可能為相應煤層采空區積水區。

圖2 各采空區層位視電阻率平面圖

3.2 井下瞬變電磁法

選取頂板垂直方向視電阻率斷面圖,如圖3所示，距巷道頂板0～45 m范圍內視電阻率為40～100 Ω·m，頂板探測區域的中部和遠處視電阻率為0～60 Ω·m，存在不同高度和形狀的低阻異常區，點號13號～17號之間的條帶狀低阻異常區是由于數據采集時巷道內存在大量的鐵器干擾所致；點號21號～23號之間頂板存在低阻異常區是由于頂板懸掛的隔爆水袋影響所致；上覆三層煤采空區層位為160～170 m，該層位在點號1號～2號、22號～23號、37號～41號、49號～54號存在的低阻異常區可能由于采空區積水所導致。

4 瞬變電磁資料和鉆探資料聯合解釋

依據井上下瞬變電磁勘探結果，并結合上覆11號、14-2號、14-3號煤層采掘工程平面圖，可確定各煤層采空區低阻異常區與巷道的相對位置如圖4所示。上覆采空區內共存在三個明顯的低阻異常區，JS-1處14-3號煤層已采空，且上覆14-2號、11號煤層采空區通過導水裂隙帶與其聯通，該區域可判定為14-3號煤層采空區積水區域；JS-2、JS-3區域14-3號煤層未進行采掘，則可判定該區域為14-2號煤層采空區積水區域。對上覆積水異常區進行鉆探施工，終孔層位均為14-2號煤層，JS-1區域施工8202-2號探放水鉆孔，共疏放采空區積水13 500 m3，JS-2區域施工8202-5號探放水鉆孔，共疏放采空區積水15 600 m3，JS-3區域施工8202-5號探放水鉆孔，施工8202-9號探放水鉆孔，共疏放采空區積水8 000 m3，驗證了井上下瞬變電磁法勘探結果的真實可靠性，同時解除了工作面回采期間的充水威脅。

圖3 頂板垂直方向視電阻率變化規律

圖4 解釋成果及采掘工程示意

5 結 語

通過對燕子山煤礦8202工作面上覆煤層采空區開采、地質條件等分析討論，確定上覆采空區積水進行勘探的可行性，結合現場工程地質條件設計地面、井下瞬變電磁法聯合探測技術，地面瞬變電磁法探測多層采空區時存在首層采空區“低阻屏蔽”效應，井下瞬變電磁法探測技術易受到井下鐵器設備干擾，通過地面、井下瞬變電磁法成果聯合解釋可成功彌補彼此的不足，提高探測的精度，通過實地探測確定8202工作面上覆采空內的低阻異常區，通過施工鉆孔驗證勘探結果并對采空區積水進行疏放，表明井上下瞬變電磁法勘探具有更高的精度，同時解除了工作面回采期間的充水威脅。