沖積層下煤層頂板水害探測與防治技術(shù)研究

胡穎棟,蕭文浩

(1.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 古城煤礦,山西 長治 046000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

近年來,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,煤炭資源需求量居高不下,導(dǎo)致開采條件日益復(fù)雜,尤其是深部礦區(qū)的礦井水害問題時有發(fā)生,嚴(yán)重威脅開采安全。煤礦水害方面的研究內(nèi)容主要集中在礦井水文地質(zhì)條件探查、礦井突水危險性理論計算與綜合評價、礦井水害預(yù)防與治理技術(shù)等方面[1-5]。低阻特征的含水體對地電場響應(yīng)敏感,因而可采用礦井直流電法[6-7]、并行電法[8-9]、瞬變電磁法[10-11]等查明礦井水害問題。我國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開展過礦井直流電法的研究,隨后逐步發(fā)展成高密度電法技術(shù),集電測深法、電剖面法于一體,提升了采集效率。在不斷的應(yīng)用、研究過程中,21世紀(jì)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)[12],以陣列式和多電場并行高效采集優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用[13]。并行電法技術(shù)突破了裝置的概念,自動對測線中所有電極進(jìn)行排列組合,結(jié)果包含所有裝置形式;采集時間呈電極數(shù)量的平方倍縮短,測線電極數(shù)越多時優(yōu)勢越明顯,為精細(xì)化探測奠定了基礎(chǔ)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入,地電場勘探逐步走向4D化監(jiān)測預(yù)警體系。本文結(jié)合數(shù)值模擬及某礦16041工作面頂板水害探測實(shí)測數(shù)據(jù),采用網(wǎng)絡(luò)并行電法三維采集技術(shù),獲取頂板局部富水的響應(yīng)特征,并提出相應(yīng)的水害防治措施,為該類特殊地質(zhì)條件下的煤層開采提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

某礦16041工作面位于礦井北翼,所屬盤區(qū)為西六盤區(qū)。16041上巷道、下巷道、切眼和聯(lián)絡(luò)巷的長度分別為1 121.42 m、1 121.42 m、109.80 m和109.80 m.其采掘工程平面圖如圖1所示。工作面內(nèi)開采煤層為二1煤層,頂板標(biāo)高為-419.9～-467.6 m,對應(yīng)地面位置標(biāo)高為+85.4～+86.4 m,煤層位于山西組底部,賦存穩(wěn)定,厚度為5.8～6.5 m,平均為6.21 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤體主要為原生結(jié)構(gòu)煤,斷層附近存在少量的碎粒結(jié)構(gòu)煤。煤層傾角1°～6°,平均傾角為4°.16041工作面二1煤層頂板基巖厚度為36.4～59.3 m,煤層、巖層厚度及接觸關(guān)系如圖2所示。

圖1 16041工作面采掘工程平面圖

圖2 16041工作面地層綜合柱狀圖

結(jié)合16041工作面綜合柱狀圖及水文地質(zhì)資料,二1煤層頂板之上的含水層主要包括:第四系含水層,新近系中部砂礫石含水層,基巖風(fēng)化帶含水層和二1煤層頂板砂巖含水層。該工作面第四系和新近系的松散地層厚度為465.3～497.8 m,平均481.55 m.

2 頂板富水性數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)設(shè)計

根據(jù)16041工作面內(nèi)或附近地質(zhì)鉆孔柱狀圖、測井資料設(shè)置頂板巖層地電模型各項參數(shù)。煤層厚度為6 m,電阻率設(shè)置為360 Ω·m;頂板第1層覆蓋砂質(zhì)泥巖,厚度15 m,電阻率設(shè)置為70 Ω·m;第2層覆蓋細(xì)粒砂巖,厚度5 m,電阻率設(shè)置為180 Ω·m;第3層為砂泥巖互層,厚度25 m,電阻率設(shè)置為40 Ω·m;第4層為砂質(zhì)粘土層,厚度40 m,電阻率設(shè)置為20 Ω·m;第5層為砂泥巖互層,厚度15 m,電阻率設(shè)置為30 Ω·m.

施工時沿16041工作面內(nèi)幫布置測線,其內(nèi)幫長為1 113.9 m,寬為104.6 m.為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要考慮“O”型測線范圍外的地層影響。因此在地電模型設(shè)置中,模型的尺寸設(shè)置為測線長、寬、高的2～3倍。即模型長度設(shè)置為3 000 m,寬度設(shè)置為300 m,頂板巖層總厚度設(shè)置為100 m.并行電法三維觀測系統(tǒng)布置在巷道煤層頂板處,呈“O”型布置,測線電極共248個,電極間距10 m,測線總長2 470 m,頂板三維觀測系統(tǒng)如圖3所示。相較于雙巷透視,多巷透視數(shù)據(jù)量更豐富,探測結(jié)果更準(zhǔn)確[14]。并行電法可在一點(diǎn)激發(fā)時多點(diǎn)并行測量,形成“O”型觀測系統(tǒng),可同步實(shí)現(xiàn)雙巷透視、多巷透視,進(jìn)一步提升結(jié)果的準(zhǔn)確性,提升采集效率。數(shù)值模擬觀測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬觀測系統(tǒng)示意圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層頂板之上主要有煤層頂板砂巖含水層、頂板風(fēng)氧化帶含水層、第4系底礫含水層,為本次16041工作面頂板含水性數(shù)值模擬的主要目標(biāo)層位,其數(shù)值模擬反演結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)、(b)、(c)分別為距離頂板不同高度的切片反演數(shù)據(jù)。

圖4 主要含水體組合數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果表明,高阻區(qū)域和低阻區(qū)域影響位置與預(yù)設(shè)模型吻合,圖4(a)、圖4(b)上均有含水體低阻異常的反映。圖4(b)和圖4(c)設(shè)置電阻率值與含水體設(shè)定電阻率值相差不大,但仍能夠從一定程度上判別含水體位置,因此可根據(jù)數(shù)值模擬中的低阻異常區(qū)域位置確定煤層頂板富水區(qū)。含水體與圍巖電阻率差值越大,在三維電阻率反演切片結(jié)果中煤層頂板富水區(qū)位置圈定越準(zhǔn)確,該差值直接影響著并行電法的解釋精度。不同類型含水區(qū)域的空間組合地電場分布特征,可為現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析解釋提供理論基礎(chǔ)。

3 工程應(yīng)用

3.1 觀測系統(tǒng)布置及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)位置位于某礦16041工作面,沿16031上巷道、16041切眼、16041上巷道、16041工作面聯(lián)絡(luò)巷布置“O”型觀測系統(tǒng),如圖5所示。起點(diǎn)位于16031上巷道與16041工作面聯(lián)絡(luò)巷交接處。因現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜,為保證數(shù)據(jù)精度,現(xiàn)場測試時采用的電極間距為8 m,較數(shù)值模擬時的10 m電極精度更高。按逆時針方向共布置304對(608個)雙模電極,電極采用炮泥耦合。整套探測系統(tǒng)的測線總長度2 424 m,完全覆蓋16041工作面所在區(qū)域,可以一次性采集全空間電場電位值,保持了電位測量的同步性,解決了不同時間測量數(shù)據(jù)的干擾問題,達(dá)到了全空間三維探測的目的。本次實(shí)測中,選用安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司研發(fā)的YBD11并行高密度電法儀,可實(shí)現(xiàn)一次采集多電極同步接收,有效縮短了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集時間。數(shù)據(jù)采集完畢后,輸入觀測系統(tǒng)并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)反演,觀測系統(tǒng)位置及反演數(shù)據(jù)體如圖5所示。該數(shù)據(jù)體具有較大的平面范圍,適合工作面全空間三維電阻率成像,采用并行電法儀觀測不同標(biāo)高的電位變化情況,通過三維電法反演得出工作面內(nèi)及其頂板不同高度的電阻率分布情況。

圖5 16041工作面觀測系統(tǒng)及反演數(shù)據(jù)體

3.2 探測結(jié)果分析

綜合分析本次探測結(jié)果,得到此次16041工作面頂板三維并行電法探測數(shù)據(jù)電阻率整體規(guī)律為:靠近煤層頂板區(qū)域巖層電阻率表現(xiàn)為相對高阻區(qū),其平均電阻率阻值高于60 Ω·m;遠(yuǎn)離煤層頂板區(qū)域巖層電阻率表現(xiàn)為相對低阻區(qū),其平均電阻率阻值低于10 Ω·m.推斷認(rèn)為,上述高、低阻特征是由圍巖整體電阻率值高于松散粘土層的電阻率值造成的。此外,對于二1煤層頂板不同高度的電阻率切片(如圖6所示),靠近電阻率切片的右側(cè)區(qū)域表征為相對低阻異常區(qū)(見圖6中異常1),且隨著高度的增加,該低阻閉合區(qū)域的面積呈現(xiàn)先減小而后逐漸增大的趨勢。該低阻區(qū)域靠近斷層,該區(qū)域電阻率特性受到斷層富水影響,表現(xiàn)為低阻特征。此外,在16041工作面頂板上部40 m電阻率切片,靠近電阻率切片的左側(cè)區(qū)域(對應(yīng)電法測線1 000 ～ 910 m位置)表征為相對低阻區(qū),疑似為異常區(qū)域(見圖6中異常2),該區(qū)域?qū)?yīng)16041工作面局部含水構(gòu)造影響的區(qū)域。煤層頂板上方52 m位置切片中出現(xiàn)大片低阻,推斷為是受上方低阻松散粘土層影響所致。由于該層厚度大于其余巖層,且該位置逐漸遠(yuǎn)離頂板上覆高阻圍巖,因此主要呈第四系厚松散層的低阻特征。

圖6 煤層頂板不同高度電阻率切片

3.3 水害防治措施分析

基于并行電法的頂板水害探測結(jié)果,結(jié)合水文地質(zhì)分析可知,此工作面頂板富水性整體不強(qiáng),沖積層底部隔水層較為穩(wěn)定,厚度符合開采要求,局部富水性大概率為砂巖裂隙水,與第四系未有明顯的連通。因此,在此工作面開采前,可進(jìn)一步采用鉆探方式對局部異常區(qū)進(jìn)行探測與疏放,回采過程做好頂板涌水量的觀察與統(tǒng)計,保障煤層開采安全。

4 結(jié) 語

1) 厚沖積層煤層頂板數(shù)值模擬結(jié)果顯示,不同類型含水體在電阻率三維數(shù)據(jù)體切片圖上有明顯的電阻率異常反映。通過對不同深度切片圖的分析,不僅可以確定含水異常體的大致深度,還能反映含水體的規(guī)模。16041工作面現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明,實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬吻合度高,實(shí)際測量所確定的兩處低阻異常區(qū)在數(shù)值模擬中亦有體現(xiàn),兩者的相互印證可有效確定頂板的富水性、規(guī)模及位置,為后續(xù)工作面安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2) 文章研究表明,采用并行電法技術(shù)對頂板水害進(jìn)行精細(xì)探測,并基于探測結(jié)果結(jié)合水文地質(zhì)信息,可針對性地提出水害防治措施,對異常區(qū)域進(jìn)行打鉆驗(yàn)證以進(jìn)一步確定其實(shí)際地質(zhì)狀態(tài),加強(qiáng)水量觀測與頂板管理工作,及時排除安全隱患,完善相應(yīng)的預(yù)測預(yù)警體系,進(jìn)一步保障沖積層下煤層開采安全。