工作面底板岩层富水性的综合探测①

2013-03-19程绍强李永军李小明

华北科技学院学报 2013年3期

程绍强李永军李小明

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

1 前言

目前我国煤层底板水害已经造成了生命和财产的巨大损失，并且仍是今后威胁我国煤炭资源安全开采的主要水害类型。有效地探查回采工作面底板富水异常区位置，为底板防治水提供基础，对于煤矿安全生产具有重大意义。

地球物理探测方法在矿井富水异常区位置的探测方面应用前景非常广阔，电法(包括瞬变电磁法和直流电法等)、磁法、地震法等在探测矿井富水区位置和范围方面已得到广泛应用，取得了良好效果。以上论及的几种物探方法在理论上均是可行的，而大量的工程实践表明，由于物探方法的多解性，任何单一的物探方法都无法取得满意的探测效果［1］，为此，从不同角度进行相互验证的综合物探方法更具优越性。实践证明，矿井瞬变电磁法和直流电法的综合探测在井下探测工作面顶底板富水性、巷道周围空间不同位置含水构造，可以取得较好的地质效果［2－7］。本文以矿井瞬变电磁法和直流电法在单候矿6105N工作面底板的富水性综合探测为实例，说明综合物探可降低探测结果的多解性，在探测工作面底板富水性方面可取得良好的应用效果。

2 水文地质条件

2.1 含水层

井田内共有5个主要含水层，自下而上分别为寒武系灰岩含水层、奥陶系下统灰岩含水层、侏罗系中下统下花园组煤系砂岩含水层、侏罗系中统后城组砾岩含水层及第四系砂砾石含水层，其中寒武系、侏罗系及第四系均属弱含水层。

2.2 隔水层

单侯井田在可采与奥陶系灰岩顶界面之间，普遍发育一层隔水的鲕状黏土岩、粉砂岩，该层为良好的隔水层［8］，但该层的沉积厚度不一，主要是受古地形的起伏影响，本次探测的6煤底板距离奥灰顶界面的隔水层厚度为16.35～204.89 m，平均厚65 m(见图1)。由于隔水层厚度差距很大，给煤层底板突水创造了有利条件。因此，探明底板富水区域显得尤为重要。

图1 可采煤层与奥灰顶界面间距

3 工作面概况

6105N工作面的地面位置:南距工业广场75 m，东距西庄村463 m。

井下位置:位于首采区东部，北为崔家寨矿与单侯矿井田边界煤柱;西为6103N工作面，正在回采;东为6207N掘进工作面;南为东翼皮带大巷。

地面标高+1070～1085 m，工作面标高+634～+763 m。煤层整体赋存呈一向斜，掘进中共揭露断层5条，水文地质条件相对其它工作面较为复杂，对回采有一定影响。工作面走向长约1095m，倾斜长约188 m。煤厚3.1～3.3 m，平均3.2 m。

4 地球物理响应特征

从电性上分析不同地层的电性分布规律为:煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。

综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将扰动地层电性在纵向和横向上的变化规律，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井电法探测提供了良好的地质条件［2－3］。

5 典型实例

6105N工作面底板富水性探测采用北京华安奥特科技有限公司生产的YCS150瞬变电磁系统和西安煤炭科学研究院生产的YDZ(A)型直流电法系统联合进行。

5.1 瞬变电磁探测方案及成果

该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。

矿井瞬变电磁探测法依据所探测的目标及探测场地的不同有两种方式:偶极方式和中心方式，如图2所示。

若在井下巷道中对煤层顶底板进行探测时，由于巷道相对瞬变电磁探测要求的最小距离(5 m)要大的多，一般采用移动式的偶极探测方式。通过在巷道内移动瞬变电磁系统和改变发射及接收线圈的方向，可以对煤层顶底板不同方向进行探测，得到一个扇形空间的探测信息。

图2 瞬变电磁系统偶极及中心工作方式

对于巷道掘进头的超前探测而言，一般巷道掘进头只有几平方米大小，既无法采用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，需采用一种不共面同轴偶极方式，即发射线圈(Tx)和接收线圈(Rx)分别位于前后平行的两个平面内，二者相距一定距离并处于同一轴线上，如图3所示。观测时接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测方向分别对准巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息。

图3 巷道掘进头TEM超前探测装置方式

本次瞬变电磁法探测采用移动式的偶极探测方式，发射电流为1 A，频率25 Hz，发射线圈2× 2 m×64匝，接收线圈直径0.6 m，发射—接收间距为20 m，且发射线框和接收线框为完全分离的两个独立线框，以便与煤层底板含水异常体产生最佳耦合响应。

本次探测在回风巷及进风巷对工作面底板进行不同方向的探测，垂直工作面方向，底板向工作面30°、45°、60°以及垂直底板方向。如下图4所示。

6105N工作面底板60 m深度瞬变电磁探测富水性分布图如图5所示。

从成果图可看出低阻区域相对较小且较多，存在大的水体的可能性较小。可分为六个异常区域(如图6)。

图4 6105N巷道瞬变电磁探测方向图

图5 6105N工作面底板60 m深富水性平面分布图

图6 6105N工作面底板探测低阻异常区平面分布图

5.2 直流电法探测方案及成果

为验证矿井瞬变电磁法探测结果，再应用直流电法对底板进行探测，该方法因测点位置靠近勘探对象，遇较小规模地电异常体则可获得较强的异常响应［9］。

直流电法探测采用与瞬变电磁法相同的探测施工顺序(如图7所示)并采用对称四极剖面法进行探测，其工作装置布置如图8所示，供电电极A、B和测量电极 M、N布置在一直线上，AMNB相对于观测点O对称布置，工作的电极A、M、N、B间距不变并沿观测线的测点进行观测［10］。此次探测点距30 m，进风巷起始点位置为离联络巷60 m处，终止位置为910 m处，回风巷起始点位置离切眼60 m处，结束点位置在离切眼600 m处。