张双楼煤矿上覆采空积水探测及突水危险性分析

张东旭+郭昌放+陈嘉骏

摘要：基于目前国有资源整合矿井水文地质条件复杂、老空积水危害大的问题，为研究上覆采空区积水对其下综采工作面安全回采工作的影响，以张双楼煤矿93604工作面为例，通过对其水文地质情况及上方7#煤层的采掘情况分析，采用井下全空间瞬变电磁法综合设计探测方案，对工作面上覆岩层及7#煤采空区赋水情况进行探测。通过三维处理及分析，得出工作面内及上方区域赋水情况，分析导致其呈现低阻的原因，据此针对性的制定放水设计及安全回采方案。结果表明，本方法能准确、有效的探测工作面覆岩水害分布情况，可为资源整合矿井采空区下工作面的安全回采提供理论及技术指导。

关键词：资源整合矿井；老空积水；瞬变电磁；覆岩水害分布；安全回采

Detection of Water-accumulating Goaf and Risk Analysis of Water Inrush of Zhang Shuang-lou Coal Mine

ZHANG Dong-xu1GUO Chang-fang2，3CHEN Jia-jun2，3

1. Xuzhou Coal Mining Group，Zhang Shuang-lou Coal MineXuzhou221616 2. China University of Mining and Technology，School of MinesXuzhou221116 3. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，CUMTXuzhou221116

Abstract： Aiming at the complex hydrogeological conditions and goaf water hazards in the present state-owned resource-integration coal mines and for the study of the overlying goaf water influence on safety recovery of fully mechanized working face， the author take the 93604 working face of Zhang Shuang-lou Coal Mine as an example to detect overburden strata and the 7#goaf waters condition of it with the analysis of the hydrogeological conditions and the 7#coal seams mining condition above it adopting the integrated design of the transient electromagnetic methods. Through 3D data process and analysis， the author obtained the relatively low resistivity areas within and above the working face. Based on the analysis of the reason why these areas presenting low resistivity， the author carried out the specific design for water release and safety recovery. The result shows that this method can accurately and effectively detect the water distribution of overburden strata， which can offer theoretical and technical guidance of resource-integration coal minesrecovery safety under the goaf.

Key words： resource-integration coal mine； goaf water； transient electromagnetic method； water distribution of overburden strata； recovery safety

引言

我國的煤炭资源整合工作在很大程度上节约了煤炭资源、提升了生产水平。但在同时，资源整合后的矿井也存在储量、开采情况不清楚，水文地质条件复杂，采空区范围不定、老空积水危害大等问题。因此，有必要采取有效、精确的手段来探测煤矿中的水害分布情况[1-3]。目前，对煤矿水害探测的技术及工作已经趋于成熟，但是大多都是在地面采用直流电法，大定源回线瞬变电磁法等来探测已采空区域的赋水情况，也都取得了较好的效果[4-6]。但是，以上方法存在深度识别不灵敏，小富水区识别困难及低阻屏蔽作用等不可避免的缺陷。针对以上问题，本文基于瞬变电磁法的原理，结合张双楼煤矿93604工作面的基本情况，采用井下瞬变电磁探测[7-9]，在有效的探明上方采空区积水的同时，能探明工作面内及覆岩赋水情况，进而指导工作面安全回采。

1.工作面概况

江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿位于徐州市西北，江苏沛县安国镇境内，地形呈西高东低之势，地表起伏不大。93604工作面走向长906m，倾斜长度150m，开采9#煤层，工作面地质构造总体简单，煤层顶板为K2石灰岩夹砂泥岩互层。上覆7#煤层已经采空，其中含水层尤其是下石盒子组砂岩裂隙含水层是7#煤层的主要充水层，因93604工作面所处9#煤层与7#煤层距离58m，且93604工作面上方可能存在采空区老空水，严重影响该工作面的安全回采。

2.瞬变电磁法

2.1方法原理

瞬变电磁法利用发射回线向探测方向发射一次脉冲磁场，利用磁感应线圈在一次脉冲磁场间歇期间观测前方介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率[10]。瞬变电磁工作一般在探测点放置发射线圈，在发射线圈中通以一定波形电流（一般为方波），从而在其探测前方一定范围内产生一次电磁场，地下地质体将在一次场的激发下产生涡流。在电流归零后，一次场消失，但涡流不会随一次场的消失立即消失，它产生磁力线和等效电流云[11]。此时会产生二次场，该二次磁场携带着地质体的电性分布。用接收回线接收该二次场，可分析地下地质体的电性分布规律[12]（见图2）。

一般观测二次场用接收回线测量二次感应电动势V（t），得出二次场特性曲线（见图3）。如按不同的延迟时间测量，得出的二次场特性曲线就是随时间衰减的。

若探测方向上没有良导体，二次场特性曲线的衰减速度很快；当存在良导体时，电流归零的瞬间，在地下导体内会产生感应涡流以阻止一次场的消失，观测到的二次场特性曲线衰减速度相对较慢，且探测方向上有良导体时其晚期感应电动势要比没有良导体时高得多。这样，含水区域及构造的电阻率远小于不含水区域的电阻率，以此可以作为瞬变电磁法观测地质体含水性的物理依据，因此发现地下良导体的存在。

2.2深度及视电阻率计算

瞬变电磁场在地层中的扩散形式如图4，电磁能量会因为在导电介质中传播而不断消耗。由于趋肤效应，高频部分分布范围小，且主要集中在地表附近；而低频部分分布范围大，且可以传播到较深处[13-14]。

上式为工程探测中最大探测深度的计算公式。瞬变电磁的探测深度与最小可分辨电压，覆盖层电阻率及发送磁矩有关[15]。

相應的晚期视电阻率计算公式为：

3.工程布置

本次瞬变电磁探测的目的主要是探测93604工作面内部、上覆岩层及对应7#煤采空区赋水情况，探测区域如图5所示，其中右侧阴影区域已回采。本次探测区域观测点布置情况如图6所示，是一个宽约150m，上下底边分别长600m和615m的梯形。其中运输顺槽探测部分长600m，回风顺槽探测部分长615m，测点间隔15m，在上下底边分别布置41个和42个测点。

其中，每个测点从垂直于左帮开始，每隔22.5°进行一次探测，共探测9道。观测系统示意图如下。

4.数据处理及分析

本次瞬变电磁顶板探测结果分析采用统一色标，如表1所示，视电阻率值由小到大分别为蓝色→青色→绿色→黄色→红色，蓝色和青色区域为相对低阻异常区。

图8为瞬变电磁顶板探测各个高度视电阻率的切片，位于9#煤与7#煤之间的标志层。

从（a）图可以看到低阻区域主要位于工作面内部区域和采空破坏区之间，K2标志层与K3标志层切片的异常分布规律与（a）图近似。K4标志层底部切片仍然存在9#煤采空破坏形成的异常区，同时可以看到运输顺槽200m～500m范围出现低阻区域。K4标志层上部切片处运输顺槽上方低阻区域变大，可见运输顺槽上方有一异常区域导通。K7标志层切片处在回风顺槽出现了少量低阻区域，与运输顺槽区域低阻构成了一个矩形的异常区域。7#煤层切片异常规律与K7标志层切片相一致，整体形状没有大的改变。

对比（a）～（g），可以看出，原9#煤采空破坏区域与工作面之间在全程都存在异常区域，同时随着探测深度的加深，工作面运输顺槽上方出现了明显的低阻异常区，由此初步推断，在93604工作面上方与7#煤采空区形成了导水通道。

图9、图10为93604工作面覆岩三维视电阻率探测结果，从三维图中可以看出，工作面上方顶板与原采空破坏区和运输顺槽之间区域呈现出明显低阻状态，而且在工作面内部也呈现出低阻区。

通过对顶板方向标志层视电阻率切片以及工作面上方相对低阻区赋水情况三维图分析，得出如下结果：

①号异常区：运输顺槽600m处。

②号异常区：运输顺槽200-500m处上方。

③号异常区：回风顺槽600m处上方。

④号异常区：工作面内部（小型条状）。

结合采掘情况及水文地质情况，初步分析判定：运输顺槽600m处在横向上与原9#煤采空破坏区之间可能存在采动导水裂隙，在纵向上与7#煤采空区之间可能存在导水裂隙，导通①②异常区。异常区④与左上侧异常区①在结构上相连通，可能会在工作面内部形成一个导水通道。异常区③虽存在低阻，综合分析，排除充水及与其他异常区联通可能，推断是由于联巷左下角位置金属设备多、干扰较大造成的。

根据矿井原有水文地质资料及上述物探結果制定《93604回采工作面上覆7#煤层老空区放水设计》，钻场布置如图11。

1号钻场探放异常区②积水，布置三个钻孔，ZK1号钻孔，孔深75.6m，倾角53°24′，方位角180°；ZK2号钻孔，孔深77.4m，倾角51°36′，方位角136°20′；ZK3号钻孔，孔深80.1m，倾角49°18′，方位角208°44′。

2号钻场探放异常区④积水，布置三个钻孔，ZK1号钻孔，孔深87.2m，倾角44°6′，方位角0°；ZK2号钻孔，孔深94.6m，倾角39°54′，方位角336°34′；ZK3号钻孔，孔深105.5m，倾角35°6′，方位角36°22′。

3号钻场探放异常区③积水，布置三个钻孔，ZK1号钻孔，孔深99.7m，倾角37°18′，方位角201°33′；ZK2号钻孔，孔深101.7m，倾角36°30′，方位角187°24′；ZK3号钻孔，孔深88.9m，倾角42°54′，方位角183°51′。

现场钻探表明：1号钻场钻探过程累计放水约7983m3；2号钻场钻探过程累计放水约6365m3；3号钻场钻探过程无明显水流流出。

钻探结果与93604回采工作面顶板探测积水异常区部分区域相重叠，结果大致一致，证明物探探测结果可靠、有效。

5.结论

（1）煤矿开采形成的采动裂隙在横向及纵向上都有发育，在横向上可与临近采空区导通，在纵向上可与上覆采空区导通，进而在工作面内部及覆岩形成低阻赋水区。

（2）利用井巷瞬变电磁法可以准确、有效的探测采动导水裂隙发育情况及工作面内部和覆岩水害分布状况，可为资源整合矿井采空区下工作面的安全回采提供理论及技术指导。

（3）瞬变电磁探测出的积水异常区，与后续的钻探结果相互印证，是矿井防治水中十分有效的物探方法。

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