井上下立体综合探测技术在煤矿水害防治中的应用

李宏杰 , 董文敏, 杨新亮, 邱 浩, 牟 义

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.山西晋煤集团资源环境局，山西 晋城 048006；4.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006)

煤矿水害事故破坏性大，突发性强，往往导致大量的人员伤亡，给矿工生命和国家财产造成无法挽回的损失。在煤矿重特大事故中，水害事故在死亡人数上仅次于瓦斯事故居第二位，但从事故发生后抢险救援、恢复生产难度和事故造成的经济损失来看，水害比瓦斯事故严重得多，即使没有造成人员伤亡，煤矿水害事故也具有抢救难度大、经济损失大、矿井恢复周期长、恢复期间安全隐患多等特点[1]。为了防止水害事故的发生，在煤层开采之前，需要对煤矿开采区域内进行水文地质勘探，查明断层、陷落柱等隐蔽灾害的导水和含水情况，以及煤层顶底板岩层的富水情况。目前，国内外对煤田断层、陷落柱等构造的探测多采用地面地震物探技术[2-6]，三维地震勘探可以探测构造异常的分布，但对确定富水情况较为困难。因此，仅依靠地面物探结果在复杂地质和开采条件下很难确定隐蔽构造的分布及其特点。

矿井瞬变电磁法是近年发展起来的在煤矿井下巷道内探测其周围空间不同位置、不同形态含水体的矿井物探方法之一，由于其对低阻异常体反应灵敏、方向性强、横向分辨率高、工作效率高和成本低等优点，在煤矿水害防治中取得很好的应用效果[7-10]，但由于受体积效应的影响，会产生多解性。单一的物探手段在复杂地质和开采条件下很难确定构造及富水的分布及其特点，因此，开展井上、下立体综合探测技术在煤矿水害防治中具有重要意义。

1 矿井概况

矿井主要含煤地层为石炭系上统太原组(C3t)和二迭系下统山西组(P1s)，上覆地层有二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)和第四系(Q)。矿井全井田总体为一走向北东，倾向北西，倾角5°左右的单斜构造，在此基础上伴有次级宽缓褶曲和小型断裂，断层附近地层倾角达15°左右。3煤和15煤为井田内全区发育的主要可采煤层，3煤层平均厚4.26m，结构简单，一般含1～2层夹矸，对比可靠，顶板岩性为砂质泥岩、粉砂岩，底板为黑色泥岩、砂质泥岩；15煤平均厚2.83m，结构较复杂，含0～3层夹矸，煤层顶板为泥灰岩、钙质泥岩或泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩。

1310工作面长440m，宽160m，巷道断面宽4.0m，高3.2m，锚网支护。1310工作面煤层底板标高为+585～+640m，奥灰水位标高为+630m左右。各岩层沉积顺序都比较正常，未发现地层缺失或重复的现象。

2 地面三维地震勘探

为了查找断层和陷落柱等隐蔽地质构造，该矿在东盘区进行了三维地震勘探，1310工作面位于三维地震勘探区内。

2.1 断层的三维地震精细解释

断点解释是在时间剖面上识别断点的标志，反射波同相轴的错断、分叉合并、同相轴的扭曲以及产状突变等，其中主要标志是反射波同相轴的错断。三维地震数据处理为资料解释提供了5m×5m×1ms的三维偏移数据体、叠后时间偏移数据体、叠前时间偏移数据体，断层成像清晰。把性质相同、落差相近的相邻剖面上的断点按一定展布规律组合起来，根据其在等时切片上振幅、方差具有相同的差异性等规律，将相邻剖面的断点进行组合后，进行地质解释。

图1为F1和F2断层在时间剖面上的反应，通过断层产状解译，F1断层走向N63°E，倾向NW，倾角72°左右，延伸长度236m，错断3号、15号煤层，最大落差5m；F2断层走向N56°E转S82°E，倾向SE，倾角78°左右，区内控制长度1076m，错断3号、15号煤层，控制最大落差51m。F1，F2推断断层平面位置详见图3。

图1 F1，F2断层在时间剖面上的显示

2.2 陷落柱的三维地震精细解释

在陷落柱内，煤(岩)层的连续性遭到破坏，陷落柱体内地层与正常地层相比在连续性、产状、岩性等方面存在很大的差异，为识别和判定陷落柱提供了依据。异常地震波通常表现为反射波同相轴中断、扭曲、极性转变、产状突变、振幅减弱等，伴随有绕射波、延迟绕射波、侧面波等出现，通过这些特征可识别和判定陷落柱范围及大小。

图2为X1，X2和X3陷落柱在时间剖面上的反应，均呈反漏斗状，在煤层底板平面图上呈椭圆形，陷落柱空间形态为不规则倒楔形。

图2 陷落柱在时间剖面上的显示

X1陷落柱反射波有10个断陷点， X2陷落柱反射波有8个断陷点，X3陷落柱反射波有8个断陷点，均为控制可靠的陷落柱。通过断陷点解译，X1陷落柱长轴方向为NS，长轴长度180m左右,短轴长度130m左右，陷落柱错断3号、15号煤层；X2陷落柱长轴方向为N68°W，长轴长度98m左右，短轴长度56m左右，陷落柱错断3号、15号煤层；X3陷落柱长轴方向为N15°W，长轴长度约130m，短轴长度约75m，陷落柱错断3号、15号煤层。X1，X2和X3等3个疑似陷落柱位置详见图3。

图3 1310回采工作面及物探异常位置示意

3 矿井瞬变电磁探测

3.1 现场施工布置

瞬变电磁法探测采用专门用于井下的多匝矩形发射线框，边长为2m×2m，采用重叠回线装置进行探测。测线布置在工作面轨道巷、胶带巷内，测点间距为10m，转换不同角度则可探测工作面内顶板或底板岩层一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断异常目标的位置和特性。为了验证地震勘探圈定的疑似断层(F1，F2)和陷落柱(X1，X3)并进行富水性探测，根据1310工作面实际采掘条件，在13102巷及回风7联络巷外侧设计4个不同的探测方向：30°顶板方向、60°顶板方向、30°底板方向、60°底板方向(图4)。为了充分掌握1310工作面内部、顶底板区域的富水区分布情况，在13101巷、13102巷布置测点，点距为10m，探测方向为30°顶板方向、60°顶板方向、90°顶板方向、30°底板方向、60°底板方向、90°底板方向(图4)。

图4 1310工作面物探测线方向示意

3.2 矿井瞬变电磁勘查结果分析

结合1310工作面回风巷和胶带巷掘进过程中实际揭露的地质情况，根据本次实测的岩层电性特征，结合实测电阻率分布特点，将相对视电阻率值为50Ω·m左右圈定为本次异常区域，推断富水性相对强或较强。成果图中视电阻率值为相对视电阻率值，为本区域周围地层相对视电阻率值的综合反映，其大小为相对值，仅在本次工作面探测成果图中具有比较意义。

3.2.1 13102巷及回风7联络巷外侧

根据地层的电性特征，设计了表示视电阻率的色谱，形成了视电阻率色谱断面图，反映了勘查剖面的电阻率分布特征，并根据其分布特征进行解释。限于篇幅，只对其中的30°顶板测线进行解释。图5为13102巷向外侧30°顶板探测结果，共有4处低阻异常，其中在距13102巷开口0～270m区域深部发现一处大片低阻异常，结合地震勘探资料分析，推断低阻异常为F1和F2断层及X3陷落柱等构造富水，富水性相对较强。图6为回风7联络巷30°顶板和30°底板探测结果，在回风7联络巷0～50m区域发现一处大片低阻异常，推断低阻异常为X1陷落柱富水。

图6 回风7联络巷视电阻率等值线断面

3.2.2工作面顶底板

通过对不同方向剖面成果数据整理及归一化等过程的处理，可得到各低阻异常区域在顶板不同高度层位的水平分布情况。图7、图8分别为1310工作面顶板方向20m处和底板方向20m处电阻率平面图，从探测结果中发现2处低阻异常，低阻异常1位于开口方向260～280m处，低阻异常2位于开口方向360～440m处。根据探测结果，结合巷道已经揭露的地质情况，推断低阻异常1局部富水性较强，由于低阻异常1和低阻异常2在垂直方向顶底板对应较好，推测异常为含水陷落柱。

图7 1310工作面顶板20m水平切片

图8 1310工作面底板20m水平切片

4 井上下立体综合探测及验证结果分析

通过地面三维地震勘探，初步确定了断层、陷落柱等构造异常体的位置，其中在1310工作面周围附近发现疑似陷落柱3个，疑似断层2条。X1陷落柱位于切眼西北角，X2陷落柱位于停采线东北部，X3陷落柱位于停采线东南部，F1和F2断层位于1310工作面东南部。针对地面三维地震圈定的异常，采用矿井瞬变电磁法进行了探测，在推断X1陷落柱、X3陷落柱及F1和F2断层周围发现了大片低阻异常，井上下探测结果较为一致，综合探测结果表明为富水性较强的陷落柱和断层。1310工作面内部顶底板区域有2处低阻异常，在垂直方向对应较好，推测异常为含水陷落柱。

为了进一步确认1310工作面内部顶底板区域2处低阻异常的真实性，在异常1位置附近施工了6个钻探验证孔(图3)，其中有4个孔出水，其中1个钻孔的最大涌水量达到23.5m3/h，根据钻探结果在异常1附近施工了3条探巷和1条副巷(图3)，结果表明异常1为含水陷落柱(X4陷落柱)，长轴50m，短轴25m。在异常2附近施工了4个钻孔，均无水，推断异常2为切眼里的单体支柱引起。

5 结束语

通过地面三维地震勘探，初步确定地质构造异常的分布及其性质，然后针对初步圈定的物探异常，采用井下瞬变电磁超前探测，对地质构造异常的真实性、富水性及导水性进行判定，增加探测结果的可信度和准确性，可为矿井水害防治提供超前预防依据。

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