基于瞬變電磁探測技術(shù)的煤礦防治水研究

張運國

(棗莊礦業(yè)（集團）濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟寧)

引言

井下煤礦生產(chǎn)及煤礦煤炭回采過程中，受到礦井水文條件與復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，存在一定的災(zāi)害影響。在井下煤礦工程中，最為常見的災(zāi)害當(dāng)屬水害[1]。在煤礦開采深度不斷增加的情況下，井下的水文條件與地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜[2]。為了提高煤礦開采與生產(chǎn)的安全，實現(xiàn)強含水層上煤礦資源安全采掘的目標(biāo)，科學(xué)合理的煤礦防治水技術(shù)至關(guān)重要[3]。現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的煤礦防治水技術(shù)在實際應(yīng)用過程中仍然存在不足需要完善，例如防治水覆蓋范圍有限，不能全面保障煤礦生產(chǎn)的安全[4]。瞬變電磁探測技術(shù)能夠改善傳統(tǒng)煤礦防治水技術(shù)存在的問題，利用高性能的瞬變電磁儀，根據(jù)礦區(qū)內(nèi)實際情況與水文地質(zhì)特征，向下發(fā)射一次脈沖磁場，實時觀測礦區(qū)二次感應(yīng)渦流場的動態(tài)變化，進而獲取不同深度的地電特征[5]。

本文在傳統(tǒng)煤礦防治水方法的基礎(chǔ)上，作出了改進設(shè)計，引入瞬變電磁探測技術(shù)，將其應(yīng)用到煤礦防治水工作中，提出了一種全新的防治水方法，為促進我國井下煤礦生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

1 煤礦防治水研究

1.1 基于瞬變電磁探測技術(shù)探測含水異常區(qū)

在開展煤礦防治水設(shè)計前，需要掌握煤礦工作面含水異常情況。本文引入高精度、高性能的瞬變電磁探測技術(shù)，利用該探測技術(shù)全方位、多維度地探測煤礦工作面含水異常區(qū)。

綜合考慮礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件后，選擇適應(yīng)性與靈活性較強、發(fā)射機、接收機與供電電源集成一體的瞬變電磁儀。采用以下公式，估算瞬變電磁儀邊長與含水層異常區(qū)探測深度之間存在的關(guān)聯(lián)，選取時窗。

其中，D 為煤礦工作面含水異常區(qū)探測深度；L 為瞬變電磁儀發(fā)送回線邊長；I 為瞬變電磁儀發(fā)送電流；ρl為瞬變電磁儀探測過程的上覆電阻率；η為最小可分辨電平。含水層關(guān)系如圖1 所示。

圖1 含水層關(guān)系示意圖

1.2 計算煤礦工作面涌水量

本文在計算煤礦工作面涌水量中，采用比擬法原理，計算公式為：

其中，Q為煤礦工作面設(shè)計涌水量；Q為煤礦工作面實際涌水量；S 為煤礦設(shè)計開采面積；Sa為煤礦實際開采面積；H 為煤礦設(shè)計水位下降高度；Ha為煤礦實際水位下降高度。通過計算，獲取煤礦工作面涌水量。根據(jù)涌水量計算結(jié)果，預(yù)測煤礦工作面的地下水滲流情況，判斷工作面含水層富水性的強弱。

1.3 煤礦工作面防治水技術(shù)措施設(shè)計

從煤礦水害預(yù)防與治理兩個角度設(shè)計水害預(yù)防技術(shù)措施，分別對煤礦不同水害進行防治設(shè)計，如圖2所示。

圖2 煤礦不同水害進行防治圖

根據(jù)圖2，煤礦不同水害具體防治如下所示：

（1）煤礦老窯水防治。在煤礦老窯初期探放水期間，應(yīng)當(dāng)設(shè)置工作人員，實時監(jiān)測老窯是否出現(xiàn)透水征兆。

（2）煤礦采空區(qū)積水與老巷道積水防治。打鉆把采空區(qū)與老巷道積水疏干。

（3）煤礦工作面鉆孔水防治。為了查明鉆孔的密封質(zhì)量，對煤礦鉆孔的平面位置以及鉆孔與工作面的相對位置進行研究。利用鉆機，重新封孔，減小隱患，實現(xiàn)鉆孔水防治目標(biāo)。

（4）煤礦斷層水防治。在煤礦生產(chǎn)與開采工程中，煤礦斷層包括兩個組成部分，分別為煤礦透水?dāng)鄬优c煤礦不透水?dāng)鄬印蓚€斷層的防治水措施相同，對斷層所在區(qū)域的水文地質(zhì)特征報告作出分析，獲取斷層的結(jié)構(gòu)特征，如圖3 所示。

圖3 煤礦開采區(qū)域的水文地質(zhì)特征圖

根據(jù)圖3 結(jié)構(gòu)特征，留設(shè)相應(yīng)數(shù)量的斷層防水煤柱，避免斷層面出水引發(fā)透水災(zāi)害。

2 實驗分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

進行實驗分析，確保方法可行性及防治水效果后，方可投入實際工程使用，避免對煤礦生產(chǎn)及回采產(chǎn)生不良影響。

選取S 煤礦礦區(qū)作為此次實驗的研究對象，該煤礦屬于高度現(xiàn)代化的礦井，是所在地區(qū)煤炭行業(yè)范圍內(nèi)的重點建設(shè)項目。S 煤礦的設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，可開采煤礦資源儲備量約為160 482.7 萬噸。

2.2 結(jié)果分析

將上述本文提出的基于瞬變電磁探測技術(shù)的煤礦防治水方法設(shè)置為實驗組，將文獻[4]方法、文獻[5]方法分別設(shè)置為對照組1 與對照組2，對三種方法的煤礦防治水結(jié)果作出對比。

選用YCS2000 型號的瞬變電磁儀作為探測儀器，其技術(shù)參數(shù)設(shè)置，如表1 所示。

表1 瞬變電磁儀技術(shù)參數(shù)設(shè)置

按照表1 所示，設(shè)置瞬變電磁儀的各項技術(shù)參數(shù)。計算10 個探測點所在礦區(qū)位置的突水系數(shù)，將突水系數(shù)作為此次煤礦防治水效果的評價指標(biāo)，其計算公式為：

其中，T 為礦區(qū)探測點所在位置的突水系數(shù)；P 為探測點所在位置的隔水層壓力；M 為探測點所在位置的隔水層厚度。通過計算，得出此次實驗的評價指標(biāo)，根據(jù)煤礦防治水細則相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)可知，礦區(qū)突水系數(shù)的臨界系數(shù)為0.06 Mpa/m，突水系數(shù)越小，則說明發(fā)生水害的概率越小，煤礦防治水效果越好，礦井安全性越高。反之，若探測點所在位置的突水系數(shù)超出0.06 Mpa/m，則說明發(fā)生水害的概率越大，不符合煤礦安全生產(chǎn)與開采的要求，煤礦防治水效果差，礦井安全性較低。利用MATLAB 模擬分析軟件，模擬S 煤礦礦區(qū)的防治水過程，仿真環(huán)境如圖4 所示。

圖4 仿真環(huán)境圖

在仿真環(huán)境中測定三種方法應(yīng)用后，10 個探測點所在位置的突水系數(shù)，統(tǒng)計對比后，繪制如圖5 所示的評價指標(biāo)對比示意圖。

圖5 煤礦防治水實驗評價指標(biāo)對比結(jié)果

由圖5 可知，三種方法應(yīng)用后，煤礦防治水效果評價指標(biāo)的差異性顯著。其中，本文提出的基于瞬變電磁探測技術(shù)的煤礦防治水方法應(yīng)用后，可以看出10個探測點所在礦區(qū)位置的突水系數(shù)均未超過標(biāo)準(zhǔn)要求0.06 Mpa/m，且突水系數(shù)始終小于另外兩種方法。而對照組1 提出方法應(yīng)用后，探測點2、7 所在位置的突水系數(shù)超出了0.06 Mpa/m；對照組2 提出方法應(yīng)用后，探測點2、5、8 所在位置的突水系數(shù)也超出了0.06 Mpa/m，不符合煤礦防治水細則規(guī)定。由此對比結(jié)果不難看出，本文提出的煤礦防治水方法具有較高的可行性，突水系數(shù)未出現(xiàn)大幅度波動，礦區(qū)發(fā)生水害的概率較小，礦井安全性較高，煤礦整體的防治水效果顯著。

結(jié)束語

為了改善傳統(tǒng)煤礦防治水方法在實際工程應(yīng)用中覆蓋范圍有限、煤礦整體防治水效果不佳、無法顯著提高煤礦生產(chǎn)及開采安全性的問題，本文引入瞬變電磁探測技術(shù)，開展了煤礦防治水的深入研究。通過本文的研究，有效地隔斷了礦區(qū)開采煤層與含水層之間的水力聯(lián)系，降低了礦區(qū)發(fā)生水害的概率，提高了礦井安全性，使煤礦整體防治水效果達到了最佳，具有良好的應(yīng)用前景。