陷落柱构造影响工作面瞬变电磁监测技术应用研究

吉继有

（山西省忻州市神达能源集团有限公司，山西 忻州 034000）

1 概 况

李村煤矿1306 工作面煤层厚度4.81～5.46 m，平均5.0 m。1306 工作面开采3 号煤，采用一次采全高工艺；工作面共布置2 条巷道，其中1306 进风巷为进风、主运输巷，1306 回风巷为回风巷。1306 工作面总体地势西南高东北低，总体呈一单斜构造，倾向209°～252°，倾角0～7°。1306 进风巷预计掘进至距离切眼以东535 m处遇一个三维地震资料解释的小型陷落柱（D194），预计大小为10 m×18 m；预计掘进至距离切眼以东380 m 处遇一个三维地震资料解释的大型陷落柱（CX1），预计大小为112 m×58 m。1306 回风巷预计掘进至距离切眼以东445 m 处遇一个三维地震资料解释的陷落柱（D-196），预计大小为50 m×39 m。1306 工作面布置及陷落柱预计分布情况如图1 所示。

图1 工作面平面布置Fig.1 Plane layout of working face

2 工作面水文地质条件分析

李村煤矿1306 工作面煤层顶板直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，该含水层赋水性一般较弱，富水性分布不均，补给性差，可能通过顶板裂隙通道和断层构造等途径导入工作面，对工作面影响主要表现为顶板淋滴水和发潮，涌水量在1～3 m3/h，易于防治，在断层、陷落柱构造附近，涌水量可能增大，因此山西组砂岩含水层对1306 工作面回采影响较小。

底板水害主要来源于底板奥灰水，矿井全井田承压开采，1306 工作面3 号煤底板隔水层厚度为84～118 m，平均隔水层厚度100 m，带压值为0.86～3.44 MPa，突水系数为0.009～0.034 MPa/m，虽小于底板受构造破坏地段突水系数0.06 MPa/m，但是工作面范围内存在多个陷落柱构造，且在巷道掘进过程中揭露陷落柱期间，涌水量出现明显的增大趋势，因此为保证工作面的安全高效生产，有必要进行陷落柱富水情况的探查及治理。

3 陷落柱富水情况瞬变电磁监测技术

断层、陷落柱等构造的存在会增大巷道掘进期间及工作面回采期间底板的突水危险性，陷落柱引起煤层内异常富水形式如图2（a） 所示，因此在巷道掘进工作面及回采工作面通过构造影响区域时，需要探明周边围岩的富水情况并采取适当的处理措施。

图2 陷落柱富水探测原理示意图Fig.2 Detection principle of water abundance of collapse column

矿井瞬变电磁监测技术是在地面瞬变电磁法的基础上，通过多次连续探测得到多个瞬变电磁响应结果，综合分析电磁响应特征进行富水异常体的定位。巷道内环境复杂，进行矿井瞬变电磁探测时存在诸多的型号干扰因素，如U 型钢、风筒等金属构件，影响异常解释，易出现定位不准、误判等问题，瞬变电磁监测技术通过在不同掘进位置进行超前探测，数次探测到的异常体位置会发生改变，电磁响应特征在横向方向上分别率较明显，因此对于角度的变化比较灵敏，根据异常体相对位置的变化可更加准确的确定异常体的位置，原理如图2（b）所示。

4 瞬变电磁监测技术的应用

4.1 1306 进风巷超前监测

此次掘进巷道超前监测地点位于李村煤矿1306 进风巷，采掘活动即将掘进至DX8 号陷落柱附近，并将揭露D-194 号陷落柱，但陷落柱富水情况不明，需查明1306 进风巷-520 m 前方580 m范围内煤层富水情况，确定异常含水区域的大致方位，为疏放钻孔的设计提供参考。

采用瞬变电磁监测技术进行陷落柱富水情况的探查，YCS360A 矿用多通道瞬变电磁仪成套探测和数据采集设备如图3（a） 所示。在不同的位置进行超前探测时，位置的选择对于探测结果的准确性尤为重要，测点最好位于目标的左右两侧，这样有利于对目标异常区的定位的准确度。此次探测共选择2 个探测位置，分别为1306 进风巷-505 m 和-525 m，2 个测站位置间距离为25 m，均采用扇形观测方式，每次探测设置11 个探测方位，探测角度为巷道轴线两侧各60°，探测范围为120 m，探测方式如图3（b） 所示。

图3 掘进迎头超前探测方案Fig.3 Advanced detection scheme of heading face in excavating

对1306 进风巷掘进工作面瞬变电磁数据进行处理后得到视电阻率剖面图，如图4 所示。位置1探测结果如图4（a） 所示，探测范围内共出现3处较为明显的低阻异常区域，其中巷道掘进迎头正前方的2 个低阻异常区分布范围小、视电阻率降幅较小，综合分析后确定需重点关注的YCA 低阻区域，该区域在X 方向分布范围为25～55 m，在Y方向分布范围为20～50 m，与DX8 号陷落预测结果相近，推断该区域具有一定的富水性；位置2 探测结果如图4（b） 所示，探测出的YCB 富水异常区与位置1 测得的结果相对应，验证了该陷落柱的富水性，并更好的确定该富水区域的方位。

图4 掘进迎头超前探测结果Fig.4 Advanced detection results of heading face in excavating

共设计6 个钻孔对该区域进行疏放，通过3 d共疏放约2 800 m3，瞬变电磁探测结果基本与实际情况相符。

4.2 陷落柱疏放水监测

1306 工作面开采期间会引起陷落柱进一步活化，陷落柱内部及周边围岩裂隙是良好的导水通道，存在一定的富水性可能，且存在导通下部奥灰承压含水层的可能，为确保工作面回采安全，需对工作面范围内的陷落柱展开探查、治理、监测工作，因此采用瞬变电磁法进行1306 工作面陷落柱富水情况的监测。

以1306 进风巷揭露的CX1 陷落柱为例，在回风巷内向实体煤壁内探测，50 m 陷落柱区域加密测点布置，测点间距5 m，其余部分测点间距10 m，共布置150 m 测线，分别进行顺层方向和顶板15°方向探查，根据探测结果设计钻孔对富水异常区进行疏放，疏放后再次进行探测，疏水前后电阻率剖面图如图5 所示。

图5 1306 进风巷侧CX1 陷落柱附近探测结果Fig.5 Detection results near the CX1 collapse column on the side of No.1306 air intake roadway

综合分析可知，初次探测时，CX1 陷落柱顺层方向和顶板15°方向均存在3 个明显的低阻区域，命名为YC1、YC2、YC3，2 个探测方向的3 个异常区相对应，可判定此陷落柱区域存在一定的富水性，由此设计钻孔进行疏放。根据疏放后电阻率剖面图可以看出，疏放后也存在3 处明显的低阻异常区，分别明显为YC4、YC5、YC6，与疏放前的3个异常区一一对应，异常区的分布范围较疏放前明显减小，低阻阻值也明显降低，说明打钻疏放水效果较好，异常富水区的富水性得到显著降低。在工作面后续生产期间，应定期进行陷落柱富水情况的探查、监测，对于出现异常变化的富水区域，采取钻孔疏放、注浆等治理措施，可保证工作面的生产安全。

5 结 语

以李村煤矿1306 综采工作面为工程背景，应用矿井瞬变电磁法进行回采巷道掘进及工作面开采期间陷落柱构造附近富水情况的探测，根据实践应用表明瞬变电磁监测技术主要具有两大作用：一是该技术可对探测范围内圈定异常富水区域的可信度及范围进行验证，并且可使圈定异常区的位置、范围判断更加精确，为异常富水区的钻探验证、治理提供指导；二是可采用该技术对疏放水、注浆加固治理区域的富水情况进行持续监测，验证治理的效果，为工作面的安全生产提供支撑。瞬变电磁法监测技术具有可行性，可在相似地质条件下矿井进行推广应用。