基于瞬变电磁法的近直立特厚煤层卸压效果评价研究

冉丛江，刘旭东，宋炳霖

(国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)

乌东煤矿为冲击地压矿井，其南采区赋存有近直立特厚煤层B3+6和B1+2煤层。当前乌东煤矿南采区近直立特厚煤层开采深度已经接近400 m，进入深部高应力环境，冲击地压灾害形式严峻。为加强冲击地压防治，乌东煤矿南采区进行一系列卸压措施[1-4]，包括对+425水平B3+6工作面B6顶板和B3底板分别实施深浅孔爆破、对煤体实施注水软化等冲击地压卸压解危工程。虽然矿井已经实施了一系列的防治措施[5-9]，但是上述措施多应用于近水平或倾斜矿井，对近直立特厚煤层矿井的适用性还未可知，因此急需对近直立特厚煤层卸压效果进行分析研究。

矿井瞬变电磁探测技术是在高阻围岩中寻找低阻地质体[10]最灵敏的方法，并且因其施工效率高和对低阻体敏感的特点，使得它在当前的煤田水文地质[11-13]勘探中成为首选。刘培浩[14]采用瞬变电磁法研究了煤层采空区的分布，然后结合测量及钻孔验证得到煤层可靠的采空区范围及分布情况。王岳飞[15]基于瞬变电磁的工作原理，利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率变化，分析煤层水力压裂后流场特征、煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。本研究以瞬变电磁技术在探测低阻地质体敏感的特性，分析近直立特厚煤层实施顶底板深浅孔卸压爆破和煤层注水等措施后围岩视电阻率分布特征，通过视电阻率变化分析煤岩体卸压效果，对瞬变电磁技术在煤矿尤其是近直立特厚煤层矿井中的应用具有重要参考意义。

1 工作面概况

乌东煤矿南采区B3+6煤层位于八道湾向斜南翼，B3+6煤层平均厚度为43.5 m，倾角86°～87°，平均倾角87°，走向N58°～60°，全井田范围煤层稳定可采。采用综合机械化放顶煤开采工艺，开采段高25 m，放顶煤高度22 m，工作面走向长度2493 m，煤层赋存与工作面布置如图1所示。煤层基本顶为厚10～20 m粉砂岩，直接顶为厚2～5 m粉砂岩，伪顶为0.3～2 m炭质泥岩，直接底为0.3～1.5 m粉砂岩及泥质粉砂岩，基本底为10～20 m粉砂岩。B3+6煤层现开采至+425 m水平，该水平煤层地质条件简单，断层分布较少。B3+6煤层为弱含水煤层，水文地质条件简单，在上一水平(+450 m)回采过程中工作面未发生出水现象。

图1 乌东煤矿煤层赋存与工作面布置

2 卸压措施及其效果评价技术

2.1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法(TEM)[16]通过在不接地回线中或接地电极间供以方波电流，向地下间歇性地发送一次电磁场，在一次电磁场的发射间歇，用接受线圈观测由地下良导地质体感应产生的二次涡旋电磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率[17]。

对于含水煤岩层，通过实施顶底板卸压爆破、煤层注水等卸压工程，可降低围岩完整性、增大裂隙发育和导水性。不含水或者含水较低的煤岩在电性上表现为高电阻率特征，如果煤岩裂隙发育且含水，那么在岩层裂隙发育或裂隙带附近导电性增强，视电阻率明显降低[18]。据此，通过探测煤岩体的电阻率的变化规律并结合具体工程情况综合分析围岩完整程度。围岩破碎程度增大时，其可承载的能量和应力较小，表明冲击地压防治工程卸压效果较好。因此可以通过对比煤岩体实施卸压措施前后围岩视电阻率变化，从而评价近直立特厚煤层卸压效果。

2.2 近直立特厚煤层工作面卸压技术

乌东煤矿南区B3+6煤层近似直立的顶底板活动、垮断情况不明，且煤岩体均具有弱冲击倾向性，为此采用顶底板深浅孔爆破切断应力的传递途径，在煤层顶底板岩石中形成立体缓冲带，以阻碍与减弱应力传递。

2.2.1 浅层爆破孔布置参数

浅层爆破孔施工排距为10 m/排，每组布置3个钻孔。其中1#爆破孔设计长度25 m，角度25°，装药长度15 m；2#爆破孔设计长度25 m，角度45°，装药长度15 m；3#爆破孔设计长度35 m，角度60°，装药长度23 m，孔径均为113 mm。顶、底板浅爆破孔布置如图2所示。

图2 顶、底板深浅爆破孔施工方案

2.2.2 深孔爆破孔布置参数

深孔爆破施工排距为30 m/排，每组布置2个钻孔。钻孔设计长度50 m，孔径113 mm，装药长度20 m，封孔长度30 m，钻孔施工角度分别为25°、35°，顶、底板深爆破孔布置如图2所示。

煤体注水可软化预裂煤体，降低煤体脆性，释放煤体中集中的应力，使煤体由弹性形变向塑性形变转变，降低煤体集聚弹性能的能力，有效预防冲击地压。在B3巷沿煤体倾向方向施工注水孔，+425水平B3+6工作面煤层厚度平均为43 m，属于特厚煤层，吨煤注水量为0.03 m3/t。经计算当钻孔走向范围覆盖100 m时，单侧注水量为2064 m3。注水孔20 m/排，1个/排，角度20°，施工长度38 m，封孔长度15 m，注水孔布置如图3所示。

图3 煤体倾向注水孔施工剖面图(mm)

2.3 近瞬间电磁测点布置

在+425 m水平B3+6煤层综采工作面B6巷顶板和B3巷底板方向沿剖面各布置5条测线，测线与竖直方向夹角分别为0°，15°，30°，45°和60°，瞬变电磁测深90 m。在B3巷朝煤体方向沿剖面布置4条测线，分别与竖直方向成0°，15°，30°和45°夹角，瞬变电磁测深60 m。在B3巷朝竖直方向采空区布置1条测线，瞬变电磁测深为90 m。近直立特厚煤层瞬变电磁测线平面和剖面布置如图4所示。

图4 近直立特厚煤层瞬变电磁测线布置

通过移动发射接收线圈，可在连接巷道不同里程同一方向、同一钻孔角度的电测测线形成实测剖面，用于评估+425水平煤岩体卸压效果。矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长2 m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为60 A，供电脉宽10 ms，采样率16 μS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。施工过程中时刻检查仪器和导线的漏电情况，保证绝缘，避免观测曲线发生畸变，造成解释的错误。

3 瞬变电磁法卸压效果

依据地质资料可知，B3+6煤层为低含水煤层，在顶底板深浅孔卸压爆破和煤层注水等卸压措施影响下，煤岩体破碎程度增大、裂隙进一步发育，围岩导水性增强、视电阻率降低，因此可以用视电阻率低阻异常区表征围岩裂隙发育区域，用视电阻率变化表征卸压效果。

3.1 +425水平B6巷顶板卸压效果

依据瞬变电磁监测线布置，在B6顶板侧布置了5种角度的监测线，1#(0°)、2#(15°)、3#(30°)、4#(45°)和5#(60°)。里程1710～1690 m范围各监测线所在剖面的视电阻率分布如图5所示。图中1690～1710 m范围为已爆破区域，1666～1690 m范围为未爆破区域。紫色区域为相对低阻区域，主要分布在已爆破区域。对比各监测线所在剖面视电阻率分布可知，已爆破区域视电阻率明显低于未爆破区域。

图5 +425m水平B6巷顶板视电阻率成像

1#—5#监测线所在剖面最小视阻率分别为20、15、20、25、20 Ω·m，分布在已爆破区域。未爆破区域整体相对视电阻率较大，未爆破区最小视电阻率为55、55、55、45、55 Ω·m。对于测线剖面中紫色的相对低阻区域，结合炮孔所在位置，可知浅紫色虚线围成的区域是抛空在探测线方向上形成较明显爆破影响区域，表明B6顶板深浅孔爆破起到了一定的卸压效果。对比+425水平B6巷顶板各测线剖面已爆破区域和未爆破区域平均相对视电阻率。B6顶板岩体视电阻率降幅依次为50.00%，50.00%，58.33%，58.33%，50%，已爆破区域岩体裂隙快速发育、承压能力下降，顶板深浅孔爆破起到了较好的卸压效果。

3.2 +425水平B3巷底板卸压效果

依据瞬变电磁监测线布置，在B3底板侧布置了5种角度的监测线，6#(0°)、7#(15°)、8#(30°)、9#(45°)和10#(60°)。里程1710～1690 m范围各监测线所在剖面的视电阻率分布如图6所示。图中1690～1710 m范围为已爆破区域，1666～1690 m范围未爆破区域。浅紫色虚线围成的区域在其较大范围连接区域内整体表征为相对低阻区域。对比各监测线所在剖面视电阻率分布可知，已爆破区域视电阻率明显低于未爆破区域。

11#—15#监测线所在剖面最小视电阻率均为5Ω·m，与其他区域形成整体鲜明对比，结合B3巷道炮孔布置，综合判定为爆破影响区域，未爆破区域最小视电阻率均为40 Ω·m。对于上述相对低阻区域，推断浅紫色虚线围成的区域在探测线方向高度80 m范围内形成较明显爆破影响区域，B3巷道底板深浅孔爆破起到了一定的卸压效果。对比+425水平B3巷底板各测线剖面已爆破区域和未爆破区域平均相对视电阻率。底板岩体视电阻率降幅依次为80.00%，80.00%，70.00%，70.00%，80.00%，已爆破区域岩体裂隙快速发育、承压能力下降，底板深浅孔爆破起到了较好的卸压效果。

3.3 +425水平B3巷煤体卸压效果

依据监测线布置，在B3巷煤体侧布置了5种角度的监测线，11#(0°)、12#(15°)、13#(30°)和14#(45°)。里程1682～1706 m范围各监测线所在剖面的视电阻率分布如图7所示。其中1695 m处为注水孔布置位置。浅紫色虚线围成的区域在其连接范围内整体表征为相对低阻区域，主要分布在注水孔端头区域。此区域内4条监测线所在剖面最小视电阻率值分别为38、36、30、30 Ω·m，综合判定为注水影响区域，未受注水影响区域最小视电阻率均为60 Ω·m，表明煤层注水对煤体卸压起到一定作用。于上述相对低阻区域，结合注水孔所在位置，推断浅紫色虚线围成的区域在探测线方向高度25 m到35 m范围内形成较明显注水影响区域。对比+425水平B3巷煤层各测线剖面注水影响区和未受注水影响区的平均相对视电阻率。煤体视电阻率降幅依次为28.57%，35.71%，42.86%，30.00%，注水影响区围岩裂隙快速发育、承压能力下降，煤层起到了较好的卸压效果。

4 应力监测分析

KJ21煤矿灾害监测预警系统是一套功能齐全、可扩展的监测系统，主要用于实时、在线监测液压支架工作阻力、锚杆(索)载荷和钻孔应力等。本研究中利用KJ21监测系统中的锚杆应力监测和钻孔应力监测功能矿用应力监测系统和瞬变电磁探测系统，对卸压效果进行综合评价。锚杆应力监测和钻孔应力监测的测点布置如图8所示。

图8 钻孔应力和锚杆应力测点布置

锚杆应力监测数据见表1，可以分析得出：煤层采取耦合致裂措施后，锚杆应力大幅减小。

表1 锚杆应力监测统计

钻孔应力监测数据见表2，钻孔应力变化趋势如图9所示，由此可以分析得出：钻孔应力监测数值较初始值都有不同程度下降，表明煤体侧应力集中程度较小，耦合致裂措施降低了煤体内应力。

表2 钻孔应力监测数据

图9 钻孔应力变化趋势

5 结 论

1)利用应力在线监测系统与瞬变电磁监测系统耦合分析，通过对比实施卸压措施和未实施卸压措施的煤岩体应力变化与视电阻率的变化，可分析研究近直立特厚煤层卸压效果，卸压区域形成煤岩体低视电阻率异常区，对比面现场应用效果良好。

2)+425水平B6巷顶板已爆破区域平均视电阻率相较于未爆破区域降低50%～60%，B3巷底板已爆破区域平均视电阻率相较于未爆破区域降低70%～80%，形成顶底板弱化区，降低最大水平主应力的传递作用，使最大水平主应力的作用远离采矿活动空间，降低围岩应力集中。

3)+425水平B3巷已注水煤体平均相对视电阻率相较于未注水煤体降低25%～45%，软化预裂煤体，降低煤体的脆性，释放煤体中集中的应力，实现煤体由弹性形变向塑性形变转变，降低煤体集聚弹性能的能力，有效预防冲击地压的发生。