2-216工作面上部老空水探测与防治

贾金凤

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

随着煤矿逐渐向深部开采，复杂的水文地质环境可能造成矿井突水事故的发生，其中老空区积水造成的突水事故占据矿井水害的大部分[1]。赵立曙、王俊奇等人采用瞬变电磁法对顶板老空区进行了多角度探测，探测效果良好，有效地解释了采空区范围和位置特征[2]。岳建华教授对瞬变电磁法限制条件和影响因素进行了分析，进一步探讨了瞬变电磁法的发展和应用前景[3]。刘志新、刘树才等人对瞬变电磁法的资料解释方法和精度提高方法进行了研究，在物理模型的基础上对井下异常水体的响应特证进行了分析[4]。本文采用瞬变电磁法对2-216工作面上部的1-113工作面的老空区水进行探测，得到异常含水区域的相关位置，为后续治理提供了可靠依据。

1 工程背景

辛置煤矿310水平二采区的2-216工作面开采2#煤层。煤层厚度为3.8～4.3 m，倾角为9°，所处标高为+208～+228 m，正上方地面标高为+628～+716 m。地表主体为山谷沟壑，存在部分陡坎，排水渠道通畅，无法形成积水区。但在2-216工作面回采阶段发现煤帮出现淋水现象，且随着回采向前推进淋水有增大趋势。经过分析，可能是回采产生的采动压力形成了一定的裂隙，导通顶板上覆砂岩裂隙水或1#煤层的1-113工作面采空区积水。工作面顶板特征见表1，顶板岩性较为坚硬，厚度为10.2 m。2-216上覆砂岩裂隙水，含水性微弱，对工作面回采影响较小； 该面上方存在开采1#煤层的1-113工作面采空区，其空间关系见图1，可能积有老空水，必须采取相应的探测手段对其进行探明，以保证后续治理措施的制定，从而保证工作面安全回采。

图1 上下工作面空间关系

2 瞬变电磁法探测

当前，对上覆采空区积水探测的方法主要有瞬变电磁法、磁共振探测、直流电探测法、地震反射波法等。其中瞬变电磁法应用较为广泛，对地层中含水性解释效果良好，为此本次探测采用瞬变电磁法。

2.1 布置方案及设置参数

瞬变电磁法是以不同介质间电性的差异为基础，通过接受到感应电流并据此反演推出地层情况。2-216工作面整体为单斜构造，为了防范受到构造的影响，测线采用东西走向方向布置，勘探网格线距为40 m，点距为20 m；在1-113采空区正对地层上方布置4组间隔100 m的测点。具体布置见图2，瞬变电相关参数设置见表2。

图2 瞬变电磁及直流电布置

表2 瞬变电磁法设置参数

2.2 探测结果及分析

瞬变电磁探测易受探测点四周高压线及房屋建筑的影响，为此数据处理显得尤为重要。根据统计学原理，将数据中明显不符合共性特征的直接删除，本次探测主体为2#煤层上部采空区及顶板，探测结果见图3～图5。

图3 瞬变电磁探测结果

图3为2#煤层顶板电阻率切片处理结果图。从图中可以看出蓝色区域电阻率较低，可能为含水异常区域。对图3含水异常区域进行区域划分，得到图4上部采空区含水区域图。从图中可以看出A1、A2-1、A2-2、A4-1、A4-2、A4-3、A5、A6为主要异常区域，其中强含水异常区有A1、A2-1、A4-2、A6，中等含水异常区有A2-2、A4-3、A5，弱含水区域有A4-1。其中A1、A6附近存在高压线，结果可靠性较低。图5为44线瞬变电磁多测道曲线，观察图中曲线整体上存在高低起伏，较为明显的为1、2、4号区域，说明这些区域为低阻含水区域或者为高阻构造裂隙区域。其中1号区域曲线变形严重，感应电压最大相差860 nv/A，2号区域及4号区域起伏相比其他区域较为明显，呈现“U”“V”形状。1号区域变化与其他区域存在明显不同的特征，所以1号区域结果可靠性较低。

图4 2#煤层上部采空区含水异常区分布

图5 44线瞬变电磁多测道曲线

图6是根据电阻率值之间的差异得到的拟断面图。观察2#煤层电阻率等值线可以发现,在1、2、4号区域变化较大，分别位于20～200桩号，450～550桩号和1000～1050桩号之间，这些区域电阻率值异常增大，变化明显；结合图3中电阻率切片处理结果可以得出：A2-1、A4-2含水异常。造成异常原因为1#煤层采空区积水或者顶板砂岩裂隙带含水引起。已知2#煤层顶板砂岩裂隙水含水性微弱，所以判断为上覆采空区积水。另外图中浅红色区域在空间上表现参差不齐，可能为裂隙带不含水区域，而实际情况岩层分布同样不均匀，表明浅红色区域为裂隙不含水区域。

图6 2#煤层视电阻率拟断面

综上分析,上覆1#煤层采空区内含水异常区域主要为A2-1、A4-2。从电阻率拟断面图和瞬变电磁多测道曲线图可以看出，2号、4号区域含水异常，两者结果相符合，表明了瞬变电磁探测的合理性。造成含水异常的原因为上覆采空区积水。2-216工作面顶板淋水是因为采动导致裂隙带导水，导通上覆采空区积水而引起的。由于2-216工作面顶板距离1-113工作面采空区较近，覆岩整体结构受到采动影响而强度降低，导水裂隙带与上覆采空区连通,导致工作面顶板淋水甚至可能发生突水事故。瞬变电磁法的有效探测除2#煤层上覆采空区异常含水区域外，还发现顶板上部存在裂隙带，为此必须对存在积水区域采取严格的探放水措施，以免酿成事故。

3 探放水治理

3.1 治理措施

结合2-216工作面相关参数，在工作面回风巷内布置钻孔3个，分别为Z01、Z02、Z03，钻孔间距15 m，选用钻头96 mm。为保证钻机机身的稳固和方便钻孔的施工，保证放水孔有较好的放水效果，减少堵孔塞孔现象，终孔层位应避开巷道，且终孔点设计在采空区原顶板向下1.5～2 m处。施工用ZDY-4000LD钻机，安装孔口管直径150 mm，压力水排渣法钻进10.5 m后，起出钻杆，下10 m、D150 mm的套管，并采用专用封孔器压风吹水泥浆法封孔10 m，进行固管。钻孔布置平面见图7，钻孔结构见图8。

图7 钻孔布置平面

图8 钻孔结构

3.2 治理效果

实施钻孔探防水后，钻孔最大开放水量为589.87 m3/h，较正常放水量多176.99 m3/h，探放期间排水稳定，每日放水量超过8 000 m3。其中Z01钻孔探放水量为22 000 m3，单日最大排水量为7 931 m3左右；Z02钻孔探放水量为26 000 m3左右，单日最大排水量为8 064 m3；Z03钻孔探放水量最大为28 000 m3，单日最大排水量为8 204 m3。已知矿方主水泵房安装有5台D450-60×4型水泵，水泵额定排水能力为450 m3/h，已知最大涌水量为589.87 m3/h，启用两台水泵可满足需求。放水时间持续9d，共排水超过76 000 m3，最终确保2-216工作面不受1-113工作面老空区积水的影响，安全稳定回采。

4 结语

1）2#煤层上覆煤层采空区内含水异常区域主要为A2-1、A4-2，从电阻率拟断面图和瞬变电磁多测道曲线图上可以看出2号、4号区域含水异常。

2）含水异常的原因为上覆1-113工作面1#煤层采空区积水，2-216工作面淋水原因为采动产生的顶板导水裂隙带与上覆采空区导通所致。

3）采用3个钻孔对老空区积水进行排放，矿井正常涌水量约为412.88 m3/h时，钻孔最大涌水量约589.87 m3/h，启用两台泵排水，能够保证在220 h左右排干1-113工作面老空区积水；放水时间9d，总排水量超过76 000 m3，最终确保2-216工作面不受1-113工作面老空区积水的影响，安全稳定回采。