铁新煤矿老空区富水性的探查技术

李 琛

(华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

我国煤炭资源丰富且地域分布辽阔，从而导致煤矿水文地质条件复杂，成为世界上矿井水害最严重的国家之一［1］。近年在我国常见的水害事故中，老空水水害所占比例约在70% ～80%之间。老空水突水具有时间短、破坏性强等特点［2］，虽然水量不大，一般不致造成淹井的灾害，但水量集中，来势迅猛，一旦揭露，具有很大的冲击力和破坏力，对人身安全的危害极大，严重威胁矿井的安全生产［3］。

铁新井田位处郭庄泉岩溶水系统的北部，是我国北方岩溶水充水矿床之一，目前主要开采2号煤层。2号煤层位于二叠系下统山西组中部，厚31.80 ～53.05m，平均 43.35m，煤层发育较稳定，中下部有一层夹矸，顶板多为泥岩、砂质泥岩，底板多为泥岩、粉砂岩，底部褐灰色石英砂岩与下伏地层整合接触。

据资料调查，本井田周边分布有两座小煤窑，现已全部关闭，一座为灵石县两渡镇大太西煤矿，另一座是位于东北部的介休市大佛寺煤业有限公司，两座煤矿年产均生产能力6万t/a，分别批准开采1、2号和9、10煤层。由于小煤窑的滥采，边界不清，加上铁新井田内地质构造复杂，溶岩裂隙发育，水源补给充足且存在承压水层，不论上组煤还是下组煤在采掘工程中很可能揭露小煤窑发生老窑突水［4］，严重威胁煤矿的安全生产。因此，小煤窑的边界控制及充水情况调查也是防治水非常重要的工作。

井田内的小窑采空区的富水性多种地质因素密切相关，具有复杂性、时效性和非线性。小窑采空区富水程度及其周围裂隙导通水性能等需详细分析与研究，为了减少和消除小窑采空区积水对矿井安全生产的影响，从地面用多种新型物探手段，对小窑采空区进行精细探查和研究，评价其富水性，提出小窑采空区综合防治措施，为铁新煤矿的安全高效开采提供系统的地质资料保障。

1 煤矿老空区地面探测技术

1.1 瞬变电磁法

1.1.1 原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法，它遵循电磁感应原理，是利用不接地回线或接地线源发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法［5］。通过研究“二次场”的空间分布特性和时间特性，可以推测解译地层或老空区的几何和物性特征。该方法具有对高阻层的穿透能力强、对低阻层分辨能力高、异常响应强、地形影响小、测量简单、工作效率高等特点［6］，因此成为地球物理探测应用前途最好的方法之一。

1.1.2 探测方法

本次物探方法电磁法选择华北科技学院矿井水害防治研究所自主研发的HA－M300型矿用瞬变电磁仪，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。

本次地面探测面积为0.5 km2，探测采用500×500 m发射线圈，布置测线19条，测线线距为40 m，点距为20 m，测点布置在发射线圈内部，距边框70 m。测线总计13300 m，覆盖有效面积0.504 km2。完成地面物理测点684个。

1.1.3 探测成果

测线剖面图中对应2#煤标高处资料可以看出:在瞬变电磁法中，测线 S8、S9、S10、S11 四条测线中均呈现不同程度的采空区地球物理特征。

对第S8测线视电阻率拟断面图(图1)成果解释，在500 m高程处、测线中段存在一处采空区(图中黑色矩形框)，对比电阻率色谱图，此处显示浅绿色，为中高阻，说明采空区富水性弱。

图1 第S8测线视电阻率拟断面图

根据第S9测线视电阻率拟断面图(图2)，在510 m～540 m高程处有一处规模较大的采空区，色谱图显示为绿色，为中高阻异常区，说明采空区富水的可能较小。

图2 第S9测线视电阻率拟断面图

对第S10测线视电阻率拟断面图(图3)解释，在490m～540m高程处存在一处范围较大的采空区，色谱图显示为黄色，为高阻反应异常区，说明采空区可能被赋水性较弱的岩石充填，富水程度较弱。

图3 第S10测线视电阻率拟断面图

根据第S11测线视电阻率拟断面图(图4)，在520m～550m高程处存在一处面积较小的采空区，色谱图显示为绿色，为中高阻，富水性弱。

图4 第S11测线视电阻率拟断面图

总结在此范围内存在多个采空区，且部分采空区发育规模较大，电阻率色谱图多显示黄色或浅绿色，表示高阻或中高阻异常区域，说明各采空区富水性弱。

1.2 SYT探测方法

1.2.1 原理

天然源电磁探测法是一种被动源法物探，它接收的是天然超低频段电磁波，这部分电磁波到达地面后，一部分进入地下，进入地下的电磁波遵从大地低频窗口截频公式:

其中，f为截止频率(Hz)，ρ为界面上覆地层的视电阻率(Ω·m)，h为界面所在深度(m)，k为常数(9 ×105)，a为特定常数，由实验获得［7］。

SYT法就是把地下反射上来的不同频率的电磁波通过接收放大，转变成电压数值，通过一定的软件程序进行处理来提取地质信息。一般情况下，如果岩层裂隙发育或者富含水，对电磁波的吸收就增强，反射回来的电磁波能量衰减就大，计算的视电阻率値就偏低，据此就可以判断地层是否富含水及富水程度［8］。

1.2.2 探测方法

本次采用华北科技学院水害防治研究所研制的SYT－4型天然场源电磁测深技术对老空区的范围进行探测，检验瞬变电磁的探测成果，使得探测结果更精确。

SYT的地面探测是确定采空区发育的深度、分布范围，然后确定老窑及其下煤层所在水平的地层赋水性，布置主要以测线上布置测点的形式出现，探测工区以异常体为主要区域，形成长约720 m，宽约700 m的方形区域，探测范围与瞬变电磁法一致。采用测线线距为80 m，测点点距为40m的SYT测线进行探测，实际布置Y1－Y10测线10条，每条测线19个点，共190个物理点，测线长度共计7000 m。

1.2.3 探测成果

在SYT法中对应2#煤标高处资料可以看出，测线Y4、Y5、Y6、Y7四条侧线呈现不同程度的采空区地球物理特征。

对Y4测线视电阻率拟断面图(图5)进行成果解释，在500 m～520 m高程处存在两处采空区(图中白色矩形小框)，一处范围较大，另一处较小，集中分布在测线的中段，而根据测线色谱图，采空区内多显示黄色或黄绿色，呈高阻反应，说明采空区中富水程度较低，大多数为空或被赋水性较差的岩石充填。

图5 第Y4测线视电阻率拟断面图

根据Y5测线视电阻率拟断面图(图6)，在480m～500m高程处存在三个老窑采空区，位于测线中段的采空区规模大，其他两个规模小，对比测线色谱图，多显示黄色，可知采空区富水性较弱。

图6 第Y5测线视电阻率拟断面图

对Y6测线视电阻率拟断面图(图7)进行成果解释，在500m～510 m高程处有两处面积较大老窑采空区，测线色谱图显示采空区内多为黄色或黄绿色，为高电磁电阻异常区，说明采空区中大多数为空或被赋水性较差的岩石充填，富水性弱。

图7 第Y6测线视电阻率拟断面图

根据Y7测线视电阻率拟断面图(图8)可知，在490 m～500 m高程处仅零星分布有采空区，且采空区范围较小，测线色谱图多显示黄色，证明区内大部分富水性较弱。

图8 第Y7测线视电阻率拟断面图

总结在此范围中的采空区较多，且规模各异，各测线色谱图多显示黄色或黄绿色，呈中高阻或高阻反应，说明各采空区中富水程度较低。

2 采空区范围及地层富水性评价

两种方法探测结果显示(据图9)，采空区的形状基本相似且重合，只是范围大小稍有区别(红色线框为SYT法所圈定采空区范围，蓝色线框为地面瞬变电磁法所圈定采空区范围)，综合分析两种方法探测结果并从确保安全生产方面考虑，认为本区采空区的分布范围以两种探测结果为参考所圈定的绿色线区域54102.2 m2面积范围(据图10)。

图9 探测采空区范围分布图

图10 探测采空区范围分布图

剖面探测成果，采空区域深度范围为2#煤所在层位，为进一步分析该层位富水性情况，瞬变电磁法分别沿2#煤底板等高线及底板上方30米范围分别做平面切片图，如图11、12所示。由两个层位平面视电阻率值分布图可看出，在2#煤层上方30 m层位较2#煤层电阻率值低些，说明此层位相2#煤层富水性较强。但在煤层平面色谱图中对照采空区电阻率值显示为高阻面积较大，说明本采空区为弱富水。

图11 2#煤底板上方30m平面视电阻率值分布图

图5－1、5－2是天然电磁法探测与瞬变电磁法所切平面相同标高的水平切面图，同样显示在采空区的范围内，为弱富水的中高值区，仅在靠南部区域，有局部富水低值区。两种方法探测结果结论基本一致。

图12 底板上方30 m平面视电阻率值分布图

图13 2#煤层水平视电阻率切片图

图14 2#煤层上方30 m水平视电阻率值切片图

而在2#煤层上方86 m水平在圈定的采空区的范围内，基本为电阻率低值区，低值区与采空区范围基本一致。在此高程平面内，可能存在因2#煤开采垮落后，造成上覆岩层产生离层的影响，该水平内采空区分布范围的岩层赋水程度较高，如图15所示。

图15 2#煤上方86 m(+586)平视电阻率值切片图

上述切面资料显示，从2#煤往上，存在富水性增强的趋势。

3 结语

1)综合地面探测结果确定采空区为图10所示面积54102.2 m2范围，采空区富水性较弱且南部区域较北部强些。

2)采空区上部86 m层位岩体较富水。

3)暂时把两种探测方法圈定的小窑采空区列为受小窑采空区水威胁的危险区，再在该边界外推60 m作为警戒区。在没有采取任何防范措施前不允许进入该区域内开展任何采掘活动。同时请矿方安排地面钻探工程对物探成果进行验证，以利水害防治工作的开展。

4)井下2#煤层生产时，在距采空区60 m以外附近巷道采用钻探辅以井下电法、瞬变电磁或矿井震法等物探手段进一步精确确定采空区范围及富水性，以前少资源损失、确保安全生产。进一步确定采空区范围后，在采空区周围至少要留设30 m保护煤柱，在保护煤柱以外区域开展生产工作。

［1］ 虎维岳.矿山水害防治理论与方法［M］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［2］ 吴发红.老塘水的预测与防治［J］.煤炭技术，2004，23(4):59.

［3］ 王志平.山西地方煤矿常见水患浅析［J］.煤炭技术，2003，22(12):54 －56.

［4］ 刘会明.上组煤老空积水对下组煤开采的影响分析［J］.山西焦煤科技，2012，(6):49 －52.

［5］ 孙吉益，李玉宝，李文峰，等.井下瞬变电磁技术在含水陷落柱治理中的应用［J］.华北科技学院学报，2009，6(4):47－50.

［6］ 张开元，韩自豪，周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用［J］. 工程地球物理学报，2007，4(4):341－343.

［7］ 王彦玮，邓尧增，潘丕业，等.SYT天然电磁波法在采空区探测中的应用［J］.科技情报开发与经济，2009，19(4):164－166.

［8］ 王文祥，杨武洋.瞬论与天然电磁波法勘探［M］.西安:陕西人民出版社，2002.