大阳煤矿陷落柱区域富水性探测研究

南莹浩，徐旭东

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

大阳煤矿陷落柱区域富水性探测研究

南莹浩，徐旭东

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

陷落柱区域富水性的探测研究对预防矿井水害有重要意义。根据大阳煤矿井田钻探资料、地质信息等，对煤矿的充水因素进行分析，采用地面瞬变电磁法和井下探测相结合的探查技术对其采区内XT1陷落柱的富水性进行了探查研究，并提出相应的防治水对策建议。在测区内通过在距3#煤顶30 m，3#煤，3#煤底30 m，9#煤，15#煤，15#煤底30 m的不同层位做了六张视电阻率水平切片，对不同水平截面瞬变电磁切片分析，推测测区内异常区情况。结果表明：XT1陷落柱为弱富水性，含水层位为3#煤层底30 m、9#煤层和15#煤层。

瞬变电磁法；陷落柱；弱富水性

0引言

我国多数煤矿井下水文地质条件复杂，在生产过程中，容易受到多种水体的威胁。其中，陷落柱水害是影响煤矿安全生产的重要影响因素，可能导致人员伤亡与财产损失，所以对陷落柱富水性的探测是预防矿井水害的有效措施，是确保煤矿安全生产的重要工作。瞬变电磁技术是目前使用范围最广的电法勘探方法，被广泛应用于找水工作中。因此，运用瞬变电磁方法对陷落柱区域综合探测，对陷落柱的富水性进行精细勘察。在大阳煤矿三采区内，发育有XT1-XT5五个陷落柱，以XT1陷落柱为研究对象，对陷落柱的富水性进行探测研究[1-4]。

1 瞬变电磁技术

瞬变电磁法又称时间域电磁法(简称TEM)，它运用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，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]。现在瞬变电磁技术应用范围很广，拥有相对成熟的理论，勘探深度大，工作效率高，对低阻体效果明显，在找水工作中被广泛应用。

1.1 地面瞬变电磁原理

地面瞬变电磁法的原理是利用电磁感应定律。其工作方法是：在空中或地面放置通以一定电流的发射线圈，在线圈周围的空间产生一次电磁场，同时在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于损耗而随时间衰减。衰减过程一般分成早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。经过测量断电后每个时间段内二次场随时间的变化规律，从而得到不同深度的地电特征，如图1所示。

图1 感应电流环带分布图

1.2 矿井瞬变电磁原理

矿井瞬变电磁法和地面瞬变电磁法的原理基本相同，理论上可以使用地面电磁法的一切装置采集数据参数，但因受到井下环境影响，矿井瞬变电磁与地面TEM的数据采集与处理又有着很大的差别。因为高压环境、矿井轨道及小线框的影响，在井下的探测深度受到限制，一般有效的解释范围在120 m左右。其次，地面瞬变电磁法为半空间响应，这种响应来自于地表以下空间，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，

这种响应来自回线平面上下地层，这对确定异常体位置带来很大干扰[6-7]。

2 矿井充水因素分析

2.1 充水水源

(1) 大气降水对矿井充水的影响

井田东部各煤层埋藏相对较浅，所以大气降水是矿坑水的主要来源，大气降水通过松散沉积物孔隙、基岩裂隙渗入井下，通过采空区地表塌陷、裂缝直接进入井下或是基岩裂隙相互沟通的情况下进入采掘工作面。由于降水量随季节变化，矿井涌水量呈现出明显的动态变化特征，一般雨后5～10天，矿井涌水量即显著增加。

(2) 地表水对矿井充水的影响

井田内的地表水体主要是万里水库及长河。受季节影响，夏季水库水量和河流流量较大。这些地表水体通过岩层裂隙和采煤引起的地表塌陷、裂缝补给煤层上部的含水层，将对井田基岩地下水及矿坑水产生一定的补给。将来开采至其附近时，需采取有效应对措施，防止雨季地表水通过采空区地表塌陷、裂缝涌入井下，造成水灾事故。

(3) 周边矿井对井田煤层开采的影响

井田内无小煤矿。井田外周边矿井有：北邻山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，北部及东北部邻山西兰花同宝煤业有限公司，东邻煤炭运销集团中岳煤业有限公司，东南与天安宏祥煤业有限公司相邻，西南邻天地王坡煤业有限公司，井田西部无矿。井田周边部分小煤矿有一定量采空区积水，在今后生产过程中，开采至已关闭的矿井附近时，须加强探放水工作，并按设计留足防水煤柱，防止其矿界附近采空区积水进入巷道，对矿井造成影响，形成恶性事故。

(4) 井田内采空区积水对矿井充水的影响

采空区积水的来源有两方面：一方面是采空区上覆含水层水，沿采动裂隙流入井下；另一方面是生产过程中的人工补给水，在生产过程中由于管理不善，生产供水常常流入采空区低洼的部位，形成采空区积水。井田发育多条褶曲构造，采空区积水多处积聚。

2.2 矿井充水通道

矿井充水通道主要为煤层顶板以上岩石的裂隙、陷落柱、断层及开采后形成的导水裂隙带，其它因素居次。井田发育的断裂构造，除F1、F2以外，都属于小型断层，且多为层间断层，沟通上下各含水层的作用很小。其中F4为逆掩断层，不导水；F1、F2断层为张性落差较大的正断层，具导水性。

3 矿区水文地质条件及陷落柱发育特征

3.1 井田含水层

对井田内含水层，自老至新叙述如下：

(1) 奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组

为井田内最主要的含水岩层，单位涌水量为3.61 L/s·m，本含水层富水性强。

(2) 石炭系上统太原组含水层

太原组含水层主要由K2、K3、K4石灰岩组成，其次为K1砂岩和K5、K6石灰岩。单位涌水量0.00044～0.0001491 L/s·m，属弱富水性的含水层。

(3) 二叠系下统山西组含水层

含水层主要为K7以及山西组上部的砂岩，单位涌水量为0.0042 L/s.m，属弱富水性的砂岩裂隙含水层。

(4) 二叠系下石盒子组砂岩裂隙含水层

含水层以K8、K9以及K10以下的砂岩带为主要含水层，单位涌水量0.0011 L/s·m，属弱富水性的砂岩裂隙含水层。

(5) 二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层

含水层主要为上石盒子组中部砂岩K11、K12，岩性坚硬、裂隙发育，在其底部常有一层泥岩或粉砂质泥岩成为隔水层，富水性较好，多在0.05～0.22 L/s之间。

3.2 陷落柱发育特征

3.2.1 陷落柱发育高度

由于在勘探区内缺少钻探资料，无法直接的研究陷落柱的发育高度，所以本项工作通过分析地震波差异来推测陷落柱的发育高度；地震波形差异属性分析成果表现为：在正常的煤系地层部位(即陷落柱边界两侧正常沉积煤岩层)，表现为连续的波形相似层序；而在陷落柱发育边界部位表现出差异、不连续的异常特征；利用该特征来分析推测陷落柱的发育高度。

图2为抽取的一条典型地震时间剖面图，在所圈定陷落柱位置地震波有明显的不连续特征，利用其顶面反射波显示，确定陷落柱高度；在本次勘探区范围内，三维地震所圈定陷落柱底部位于15#煤层下的奥陶系灰岩层，发育高度均高于3#煤层。

图2 地震波时间剖面图

3.2.2 陷落柱分布规律及平面特征

通过对以往地质、物探资料的搜集整理，确定大阳煤矿三采区陷落柱发育有如下特征：

(1) 陷落柱大部分分布在向背斜轴部附近；

(2) 陷落柱的长轴多数平行于向背斜轴；

(3) 陷落柱在平面图上投影多呈椭圆形或近似椭圆形；

(4) 区内陷落柱在平面图上面积大小差异较大。

4 陷落柱富水性探测

4.1 切片深度截取

按照距3#煤顶30 m，3#煤，3#煤底30 m，9#煤，15#煤，15#煤底30 m的层位做了六张水平切片。各层位深度截取均是按照矿区井上下对照图中煤层等高线标高求取。各层位深度值如表1所示：

表1 不同层位深度截取值

4.2 地面瞬变电磁测线布置

本次探查区域主要为位于井田西南部的三采区XT1陷落柱，标记为A测区。在测区内布设30 m×20 m的测网，即每30 m为一条测线，每条测线每20 m为一测点。测线布置如图3所示：

图3 A测区示意图

4.3 XT1陷落柱探查结果分析

(1) 取主要目的层水平截面瞬变电磁切片分析，根据处理所得不同深度成果图，推测测区内异常区情况如图所示：

3#煤顶30 m视电阻率切片图呈现高阻形态，陷落柱区域无低值异常反应，由于上层泥岩隔水层存在，该层位基本不受K8砂岩含水层影响。

3#煤层视电阻率较3#煤顶30 m偏低，整体为中阻形态，在陷落柱区域无明显的异常特征；该层上伏10 m左右泥岩，电阻率值符合测量结果，推测该层不富水。

图5 A测区3#煤层视电阻率切片图

图6 A测区3#煤层底30 m视电阻率切片图

3#煤层底30m视电阻率的整体形态特征与3#煤层相似，电阻率值变低，并在陷落柱中部区域出现了明显的低阻区，推测为该层位存在裂隙导通上层K5灰岩含水层，在陷落柱区域富水形成低阻异常区。

图7 A测区9#煤层视电阻率切片图

9#煤层视电阻率切片图中，在陷落柱中部区域有一低阻异常，位置与3#煤层底30 m的低阻区稍有偏离，推测为上层砂岩局部富水引起。

图8 测区15#煤层视电阻率切片图

15#煤层视电阻率切片图中，视电阻率较9#煤层变大，低阻区位置向东北向偏移，在陷落柱为于低阻影响区，推测异常区是受K2灰岩含水层影响引起。

15#煤层底30 m的视电阻率切片图中电阻率整体呈现中高阻形态，陷落柱区域内无低阻异常反应，层位内主要为石灰岩，泥灰岩，推测富水性较弱。

图9 A测区15#煤底30 m层视电阻率切片图

综上分析，陷落柱范围在不同水平标高的六个切片图上整体呈现中高阻形态，在3#煤底30 m、9#煤低阻异常区集中在陷落柱的中部区域。

(2) 主要目的层水平截面低阻异常区垂向分析

图10 A测区各水平截面切片立体图

由A测区水平切片立体图中可知低值区域主要集中在测区中部和东北部，在3#煤层底30 m至15#煤层三个层位上表现较为明显，纵向导通性不强，3#煤层底30 m低阻区推测为裂隙导通K5

灰岩含水层影响引起，9#煤层低阻区推测为砂岩局部富水引起，15#煤层推测受K2灰岩含水层影响引起[8-9]。

5 结论

(1)由以上所做的切片图，剖面图综合分析，在3#煤层层位的主要充水层为K8砂岩含水层，但3#煤层的视电阻率切片图中整体电阻率值成中高值，说明该含水层对3#煤层没有影响，推测中间有泥岩隔水层使得该含水层与3#煤层没有导通。

(2)在3#煤层底30 m、9#煤层和15#煤层陷落柱的中部和东北部区域有局部的低阻异常，推测主要是受K2、K5含水层影响引起。

(3)15#煤层底30 m主要岩性为石灰岩和泥灰岩，中高阻反应，富水性差。综合分析XT1陷落柱为弱富水性，可能的含水层位为3#煤层底30 m、9#煤层和15#煤层。

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ResearchonthewaterrichnessdetectioninthecollapsecolumnareaofDayangCoalMine

NAN Ying-hao,XU Xu-dong

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInslituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

The investigation of the water abundance in the subsided column area is of great importance to prevent mine water damage. According to the drilling data and geological information of Dayang Coal Mine, the water filling factors of coal mine is analyzed, the water-richness of collapse colume XT1 is explored in the mining area, using the combination of ground transient electromagnetic and underground detection, and the corresponding countermeasures and suggestions on the prevention and control of water is put forward. In the test area through the 3#from the top coal 30 m, 3#coal, 3#coal base 30 m, 9#coal, 15#coal, 15#coal 30 m in different layers of bottom made six resistivity horizontal slice, transient electromagnetic analysis of different sections of horizontal section that measured transient, abnormal region. The results show that the XT1 collapse column is weakly rich in water, the aquifer is 3#, the coal seam bottom is 30 m, 9#coal seam and 15#coal seam.

Transient electromagnetic method；Collapse column；Weak water-richness

2017-06-04

南莹浩(1991 -)，男，山西长治人，华北科技学院在读硕士研究生，主要从事安全管理与矿井水害防治研究。E-mail:645384850@qq.com

TD745

A

1672-7169(2017)04-0042-05