綜采工作面頂板巨厚砂巖層富水性精細(xì)探測*

劉 飛

(陜西建新煤化有限責(zé)任公司，陜西 延安 727300)

0 引言

黃隴礦區(qū)建新煤礦4-2煤層頂板與侏羅系直羅組底板距離為41～43 m，位于垮落帶范圍內(nèi)，煤層上覆“小街砂巖”和直羅砂巖可能存在富水異常區(qū)及膠結(jié)不良地質(zhì)體，工作面回采期間有可能造成涌水量較大和“潰水潰砂”災(zāi)害。工作面煤層頂板到洛河組含水層距離僅有157～167 m，煤層回采后的導(dǎo)水裂隙帶可以直接波及該含水層，雖然以往工作面洛河組含水層水害問題不突出，但由于該含水層厚度大、富水性空間分布不均，現(xiàn)有資料不能準(zhǔn)確反映4207工作面洛河組含水層富水性情況，無法評估其對工作面回采的水害威脅程度。因此，工作面回采前需要對工作面頂板富水性及富水積聚區(qū)進(jìn)行探測，尋找靶區(qū)，直流電法測深將電極布置在巷道順槽的頂板，通過多個礦區(qū)驗證該方法對頂板巨厚砂巖層富水性反映良好。

1 礦井直流電法高分辨測深原理

直流電法測深法是研究深度方向地層電性變化規(guī)律，從而獲得深度方向地層各種地質(zhì)信息的一種物探方法。它是在同一點逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸變大，于是可以觀測到測點處沿深度方向由淺到深地層的變化特征，來研究電性分層和水文地質(zhì)問題[13]。礦井直流電法測深屬常規(guī)直流電法，井下實測的主要是電壓(V)、電流(I)。

2 探測技術(shù)

基于礦井巷道實際條件、結(jié)合施工效率及探測精度，通常采用三極測深法進(jìn)行施工[46]。探測時在頂板上相對固定測量電極M、N，由近及遠(yuǎn)地移動供電電極A，達(dá)到由淺到深的目的[78]。礦井直流電法高分辨探測是在工作面形成后，在工作面的順槽進(jìn)行施工，如圖1所示。

圖1 礦井直流電測深施工示意Fig.1 Mine direct current sounding construction diagram

井下采集的第一手資料是反映巖石電性特征的視電阻率(單位：Ω·m)，使用礦井高分辨電測深專用軟件對井下采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋[910]，經(jīng)過系列處理后，繪制成所需要的各種定性圖件和定量圖件。如視電阻率等值線斷面圖、低阻異常地質(zhì)解釋等值線斷面圖、平面圖[11]。

3 數(shù)值模擬

通過直流電三維有限元反演軟件 RES2DINV，設(shè)置了巷道高、寬均為5 m，在巷道上到頂板上方設(shè)置邊長為20 m，電阻是10 Ω·m的正方體地質(zhì)異常體(模型一)，該模型最近距離巷道頂板120 m，在巷道上到頂板上方設(shè)置邊長為30 m，電阻是5 Ω·m的正方體地質(zhì)異常體(模型二)，該模型最近距離巷道頂板90 m，圍巖的電阻100 Ω·m，其中巷道電阻設(shè)置為10 000 Ω·m，如圖2所示，采用MNB三極測深裝置，MN間距4 m，等間隔4 m跑極進(jìn)行測量，探測結(jié)果如圖3所示。

圖2 低阻異常理論模型Fig.2 Low-resistance anomaly theoretical model

圖3為巷道頂板探測后的視電阻率等值線斷面圖，圖中發(fā)現(xiàn)有兩處相對明顯的低阻異常區(qū)，依次編號為①號和②號異常區(qū)。其中①號異常主要分布在沿探測方向20～40 m范圍、探測深度120～150 m范圍，該視電阻率低阻異常區(qū)與設(shè)置的模型一范圍基本一致；②號異常主要分布在沿探測方向125～155 m范圍、探測深度90～150 m范圍，該視電阻率低阻異常區(qū)與設(shè)置的模型二范圍基本一致。但通過仔細(xì)對比設(shè)置模型和數(shù)值模擬結(jié)果會發(fā)現(xiàn)在前部未探測到低阻異常時視電阻率等值線呈現(xiàn)均勻變小趨勢，在0～80 m深度，2個異常體附近視電阻率等值線都是140～102 Ω·m均勻變化，在模型二設(shè)置的電阻值更小，其等值線較模型一變化更加劇烈，也說明電阻越小對電流的吸引越明顯。

圖3 頂板探測視電阻率等值線斷面圖Fig.3 Cross-sectional view of the contour of apparent resistivity detected by the roof

通過對比數(shù)值模擬與設(shè)置的模型空間位置后發(fā)現(xiàn)，在橫向上吻合度較縱向上高，這也證明了直流電法測深法的一個特點。同時，直流電法能夠有效區(qū)分出2個鄰近的、阻值不同的地質(zhì)異常模型，其探測精度較高。

4 應(yīng)用實例

建新礦區(qū)位于陜西省重要煤產(chǎn)地焦坪—店頭礦區(qū)的交接地段，4207工作面位于42盤區(qū)西翼，工作面呈西南—東北方向布置，其西為4205工作面(未開采)，東界為4209工作面(未開采)，南界為4-2煤層可采邊界，北界為42盤區(qū)巷道保護(hù)煤柱。鉆孔資料揭露工作面頂板上約40 m為延安組裂隙含水層，為4號煤層頂板直接充水含水層，延安組往上約100～112 m為直羅組下部孔隙裂隙含水層，為頂板間接含水層，約157～167 m往上為洛河組砂巖裂隙孔隙含水層，為頂板上間接含水層。根據(jù)水文勘探成果顯示工作面回采時頂板涌水的主要水源為直羅組下部孔隙含水層，該含水層對工作面回采影響較大，為了防止類似銅川礦區(qū)照金煤礦“4·25”透水事故的發(fā)生，采用高分辨直流電法技術(shù)對工作面頂板巖層的富水異常區(qū)進(jìn)行探測，為后期工作面安全回采提供參考資料。

通過兩順槽地質(zhì)揭露，4207工作面煤層賦存穩(wěn)定，運輸順槽在掘進(jìn)至1 037 m時，揭露一條正斷層，斷層產(chǎn)狀為NE270°∠28°，落差2.8 m，該斷層在運輸順槽揭露長度為27 m，回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中未揭露斷層，但在巷道掘進(jìn)至800 m時出現(xiàn)明顯褶皺，根據(jù)運輸順槽揭露的斷層走向分析，判斷該斷層在工作面內(nèi)發(fā)育延續(xù)至回順，在揭露斷層處煤層底板起伏變化較大，造成巷道內(nèi)矸石多。工作面掘進(jìn)過程中運、回順及切眼分別出現(xiàn)頂板滴水現(xiàn)象，水量小，出水一般持續(xù)3～5 d后逐漸減小，然后消失。根據(jù)工作面掘進(jìn)過程揭露情況及水文地質(zhì)條件分析，工作面回采主要的水害因素為頂板砂巖水及構(gòu)造裂隙等局部富水。工作面回采前應(yīng)通過物探手段對煤層頂板進(jìn)行富水性探查，查明頂板富水性異常區(qū)域，確定煤層上部含水層的影響程度，針對富水和構(gòu)造等異常區(qū)采取相應(yīng)的超前探放等防治水措施，提前消除水害對工作面回采的影響。

4207工作面頂板直流電法低阻異常斷面圖，如圖4所示。結(jié)合工作面頂板水文地質(zhì)情況，推斷①、③號異常區(qū)為頂板洛河組砂巖局部富水所致，推斷②號異常區(qū)為工作面頂板上覆4-2號煤層裂隙發(fā)育及弱含水所致。

圖4 4207工作面頂板直流電法低阻異常斷面Fig.4 Low-resistance anomalous section of 4207 working face roof by direct current method

根據(jù)4207工作面回風(fēng)順槽頂板直流電法探測的成果，在4207工作面回風(fēng)順槽內(nèi)布置鉆場，同一鉆場布置多個方向鉆孔，鉆孔參數(shù)及涌水量見表1。

表1 驗證鉆孔的初始涌水量統(tǒng)計

通過鉆孔對本次探測成果的驗證，發(fā)現(xiàn)在異常區(qū)及附近的鉆孔最小出水量為3 m3/h，最大初始涌水量為10 m3/h。

5 結(jié)語

通過理論模擬，結(jié)果表明直流電法測深能夠有效探明并識別巨厚含水層富水異常區(qū)，在建新煤礦4207工作面頂板直流電法探測成果為疏放水提供精準(zhǔn)靶區(qū)，對面臨頂板砂巖水威脅的礦井探放水工作具有借鑒作用。