金宝屯煤矿综采工作面顶板水物理探测研究

王　新

(辽源矿业(集团)有限责任公司金宝屯煤矿)



金宝屯煤矿综采工作面顶板水物理探测研究

王新

(辽源矿业(集团)有限责任公司金宝屯煤矿)

摘要金宝煤矿综采工作面开采过程中顶板出现多次淋水，影响了矿井的安全生产。为寻找水源位置，采用井下瞬变电磁探测方法对工作面及回采巷道顶板进行了探测。结果表明，工作面顶板上覆砾岩中局部含有少量积水，积水沿采动裂隙流至工作面；由于工作面倾角的影响，发生淋水的位置集中在距运输顺槽30～60 m的工作面。探测结果为合理确定探放水措施提供了依据。

关键词顶板淋水瞬变电磁法电导率高阻异常

工作面异常涌水严重影响矿井的安全高效生产，是矿井的重大安全隐患之一。瞬变电磁法在工作面涌水探测中发挥了重要作用，可主要解决诸如含水构造、异常富水区等地质问题。瞬变电磁法在探测过程中具有布极范围小、非接触布极方式不受接地条件约束、探测距离长、测试效率高等特点，因在井下有限空间内应用具有一定优势，近年来该方法在国内外发展较快。许多学者在瞬变电磁探测机制、数据采集、干扰因素控制、反演算法、结果成图等方面做了大量的研究[1-11]，取得了良好的研究成果。本文以金宝屯矿N211区工作面为研究对象，采用瞬变电磁法探测工作面，确定工作面涌水来源，为制定涌水治理方案提供依据。

1工作面概况

金宝屯矿N211区工作面为近水平煤层，平均倾角为3°，区内构造简单，属于单一煤层，厚2.3～2.6 m，平均为2.5 m。工作面采用综合机械化采煤法。煤层直接顶为泥岩，厚0.7～2.2 m，极易冒落；基本顶为粉砂岩，厚16.8～37.7 m；底板为泥页岩互层，厚22.5～37.1 m，遇水膨胀。煤层综合柱状图见图1。

N211区工作面开采过程中，局部顶板淋水，目前累计涌水6次，涌水量共计约1 800 m3。工作面推进到60～73 m，顶板第一次出现涌水，总涌水量为72.73 m3，此区间为工作面顶板初次垮落。工作面在60～241.5 m推进，顶板出现4次较大的涌水情况，支架后方采空区出水2次，每次出现涌水前，工作面顶板矿压显现非常明显，如煤壁片帮、顶板破碎、支架淌矸、局部架子出现响声和下沉量瞬间增大等。具体工作面涌水情况和矿压显现情况见表1。可以看出，工作面出现涌水现象之前，矿压显现特别明显，并伴随工作面周期来压，但并不是每次工作面周期来压都会出现顶板涌水现象；工作面顶板涌水区域除基本顶初次来压期间距运输顺槽110～120 m以外，其他顶板涌水区域多位于距运输顺槽10～60 m；支架后方采空区出水多位于距运输顺槽50 m以内。

图1　煤层综合柱状图

2井下瞬变电磁探测原理

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)属时间域电磁感应方法。其探测原理是在发送回线上提供一个电流脉冲方波，一般利用方波电流关闭的瞬间产生一个向地下传播的一次磁场；在一次场的激励下地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度；一次场消失后,该涡流不会立即消失，将有一个过渡(衰减)过程，该过渡又产生一个衰减的二次磁场向地表传播，由地面的接收回线接收，二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。

表1　工作面涌水情况统计

本次探测采用YCS150型矿用本安型瞬变电磁仪，它是以地壳中岩石和矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物性基础，根据电磁感应原理，通过观测和研究电磁场的时间和空间分布规律，来寻找地下有用矿产资源和解决地质、环境工程等问题的一种电法勘探仪器。仪器由主机、发射线框、接收线圈组成(图2)，通过在井下采集探测地点的电压(μV)-时间(μs)的衰减变化数据，利用电阻率晚期计算(全区计算)公式反演得到围岩视电阻率(Ω·m)-深度(m)的扇形等值线分布图，结合现场实际地质与工程资料，解译异常体。

图2　矿用本安型瞬变电磁仪装置

3瞬变电磁探测方案

本次探测区域为N211区回采工作面及两顺槽。工作面中进行剖面探测，分别在169#、139#、109#、79#、60#、41#、36#、16#支架处进行探测，向工作面侧顶板进行探测。测试以与煤壁法线呈45°为起始角度，以15°为间隔，按逆时针方向探测，共计测试7个角度，分别是45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°，最终获得扇形剖面。测试中探测线框的移动方式见图3。

图3　工作面瞬变电磁探测线框布置

顺槽中进行单点测量(图4)，连接各点形成探测剖面，每个测点探测方向垂直巷道顶板，测点间距为12 m。探测起始点为工作面停采线。运输顺槽探测距离为504 m，共43个点，回风顺槽探测距离为492 m，共42个点。

图4　工作面顺槽瞬变电磁探测线框布置

4探测结果及分析

煤层采空区垮落带与完整地层相比，岩性变得疏松，密实度降低，其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质，在电性上表现为高阻异常；煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性没有发生明显的变化，但由于裂隙带内岩石的裂隙发育，裂隙中的充入空气致使导电性降低，在电性上也表现为高阻异常；煤层采空区垮落带和裂隙带若有水注入，使得松散裂隙区充盈水分达到饱和的程度，会引起该区域的电导率迅速增加，表现为视电阻率值明显低于周围介质，在电性上表现为低阻异常。这种电性变化为瞬变电磁法提供了地球物理应用前提。

考虑仪器本身盲区及探测环境(液压支架、采煤机等金属及杂散电流)的影响，探测有效深度确定为30～80 m，其他区域不做分析。

图5为169#支架处瞬变探测结果，探测位置处于工作面上端头(回风顺槽侧)，电阻率等值线图中无明显高阻异常区域，说明顶板离层破坏不充分。在顶板35～40 m分布有低阻异常，电阻率为10～35 Ω·m，推测为顶板砾岩湿润、含少量水导致。

图5　169#支架处探测结果

图6～图9为139#、109#、79#、60#支架处瞬变探测结果。可以看出，以逆时针方向90°(以“0”为圆心)为分界，工作面超前斜上方(以“0”为圆心逆时针方向45°、60°、75°)等值线高阻异常区域范围明显小于工作面斜后方(以“0”为圆心逆时针方向90°、105°、120°、135°)等值线高阻异常区域，说明工作面后方采空区垮落充分，工作面超前范围发生离层，高阻异常区电阻率为49～70 Ω·m。在顶板35～40 m分布有低阻异常，电阻率为10～30 Ω·m，推测为顶板砾岩湿润、含少量水导致，顶板上方无明显积水区。

图6　139#支架处探测结果

图7　109#支架处探测结果

图8　79#支架处探测结果

图9　60#支架处探测结果

图10、图11为41#、36#支架处瞬变探测结果。可以看出，工作面超前斜上方(逆时针方向45°、60°、75°)等值线分布密集，说明顶板没有发生离层破坏。工作面斜后方(逆时针方向90°、105°、120°、135°)等值线出现条带形高阻异常，推断该异常为顶板岩层发生的离层破坏，条带范围为顶板上方45～50 m，此范围为含水砾岩。其中41#、36#支架处离层破坏区域的上部分布较大范围的低阻异常，电阻率为10～15 Ω·m，推断该区域内含水，且水量较大，实际生产中此范围工作面出现淋水现象。

图10　41#支架处探测结果

图12为16#支架处瞬变探测结果，探测位置处于工作面下端头(运输顺槽侧)，电阻率等值线图中无明显的高阻异常区域，说明工作面端头处顶板离层破坏不明显。测试结果显示，顶板上部无明显积水区。

图13为工作面运输顺槽与回风顺槽内顶板电阻率测试结果。可以看出，两顺槽的顶板局部区域内分布有低阻异常区域，低阻异常区域位于顶板上部40～60 m。回风顺槽内在距工作面结束线290～490 m顶板中分布有明显的含水区域，运输顺槽内在距工作面结束线110～190 m、360～480 m顶板中分布有明显的含水区域。开采至以上区域时要重点进行探放水工作。

图11　36#支架处探测结果

图12　16#支架处探测结果

图13　回风顺槽、运输顺槽垂直顶板探测结果

总结上述探测结果可知，距工作面及回采顺槽顶板40～50 m为集中含水区，对比工作面综合柱状图可知，该范围分布有砾岩。瞬变电磁探测后，现场实施了地质钻孔，最终确定砾岩中含水，证实了此次井下瞬变电磁探测的准确性。

5结论

(1)含水层主要集中在顶板上方约40 m的砂砾岩，砾岩中水为工作面涌水的主要来源，水量较小。

(2)工作面顶板淋水特征与工作面覆岩运动规律密切相关。在工作面发生周期来压期间，顶板运动强烈，易发生顶板涌水；工作面中部顶板离层破坏明显，成为主要导水通道。

(3)受工作面倾角的影响，工作面淋水位置多集中在距运输顺槽30～60 m，是防水的重要区域。

(4)工作面顺槽顶板局部区域存在含水层，但顺槽顶板受工作面开采影响较小，不易发生涌水。

(5)探测结果为确定钻孔探放水方案提供基础依据，对工作面安全高效生产具有重要意义。

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(收稿日期2015-11-12)

王新(1980—)，男，工程师，028115 内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗查日苏镇乌兰村。