瞬变电磁技术在底板采空区富水性探测中应用

刘勇洪

(山西煤炭职业技术学院,山西省太原市,030031)

瞬变电磁技术在底板采空区富水性探测中应用

刘勇洪

(山西煤炭职业技术学院,山西省太原市,030031)

采用基于双烟圈效应理论的矿井瞬变电磁法对梨树园煤矿老采空区内部富水状态及其边界进行探测,依据测试数据将测试区域划定了2处高阻异常区和4处低阻异常区。对于初步探测到的底板富水区域,提前采取自然排水和低洼处排水降压的措施,避免开采过程中水害事故的发生。

底板采空区 水害事故 富水性探测 瞬变电磁法 排水降压

突水事故是煤矿常见灾害事故之一,多数发生在富水矿井的采掘过程中,主要原因是防治水措施不到位,进而导致地表或者地下水通过塌陷区、裂隙等各种通道涌入采掘工作面。尤其是工作面底板采空区存在大量积水且充水情况不明时,一旦底板导水裂隙充分发育与底板采空区沟通形成导水通道,将发生严重水害事故。而物探技术可以较为方便准确地查明掘进巷道前方或者工作面内顶底板隐伏含水异常构造区具体位置,在事故发生前采取治理措施,尽可能避免灾害事故的发生,因此超前探测技术有重要的实际意义。

现应用比较广泛的物探技术有瞬变电磁技术、无线电波透视技术和音频电透视技术等,而矿井瞬变电磁技术作为时域的一种物探方法,因其具有检测异常更直接、探测效果更明显、原始数据保真度更高等优点近年来而被广泛应用。基于双“烟圈效应”理论,本文采用矿井瞬变电磁探测技术,沿工作面布置直线形测点,根据测试结果确定工作面底板采空区内部富水状态及其边界。

1 工程概况

山西梨树园煤业是经兼并重组整合而成的矿井,井田范围内旧小煤窑较多,地质资料显示井田内共有19座小煤窑,24个井口,整合后矿井生产规模为120万t/a。井田范围内可采煤层为1＃和2＃煤层;1＃煤层平均厚度为1.74 m,埋深约320 m左右,倾角为4°～9°,煤层结构比较简单,顶板多为粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩、泥岩;2＃煤层平均厚度为1.1 m,上距1＃煤层约10.9 m,顶板岩层大部为泥岩和砂质泥岩,个别为中砂岩和粉砂岩,底板岩层大部为泥岩和砂质泥岩,局部为细砂眼、粉砂岩。矿井设计的首个回采工作面1101工作面采用综合机械化开采,主采1＃煤层,煤层厚度在0.65～2.83 m之间,工作面设计走向长度800 m,倾向长度230 m。

整合前,一些小煤窑联合开采1＃、2＃煤层,一些则单独开采1＃或者2＃煤层,据矿井提供地质资料显示,2＃煤层存在6处采空区,位于井田西南部及东南部,而在井田西南部咸水梁—千洼一带存在大片的小煤窑破坏区及较高的富水异常区。预计2＃煤层范围内小煤窑采空区面积约13.6万m2,积水量约为9万m3,采空区边界离1＃煤层的1101工作面最小水平距离为80 m,但是地质资料只能作为简单参考,不能显示真实的采空区内富水边界,这将给工作面开采过程中的水害防治工作带来不确定性和极大的挑战。1101工作面位于奥灰水下,1＃、2＃煤层均采空后,层间岩层或将断裂失稳,导水裂隙带充分发育、裂隙带高度大大增加,将形成导水通道,沟通含水层,引发水害事故。为确保1101工作面初采期间安全顺利推进,有必要弄清底板下部不规则房式采空区充水边界及其富水状态。

2 瞬变电磁法探测技术

2.1 基本原理

矿井瞬变电磁技术(TEM)的工作原理如图1所示。

图1 矿井瞬变电磁技术工作原理

在煤矿井下巷道内铺设边长为1.5 m的多匝小回线装置,向小回线装置中输入阶跃电流,当回线中的电流突然断开时,回线装置的上下空间会产生涡流感应,来保持电流断开前已经存在的电磁场,同时产生的感应涡流场会以等效涡流的形式向线框上下两侧扩展。涡流磁场的变化情况可以应用不接地线圈进行观测,矿井瞬变电磁法探测技术属于全空间的瞬变响应,来源于回线平面上下两侧的底层,简称双烟圈效应。

线框收到的感应电动势是探测范围内岩层特征的综合响应,这种综合响应可以表现在其本身的视电阻率上,即不同的岩层具有不同的电阻率。研究表明,岩石越干燥,其视电阻率相对越大,当岩石受地质构造运动等作用时,岩石常发育有破碎裂隙或空隙,但是当岩石的裂隙或空隙中含有水时,那么岩石的湿度和饱和度必然随着水量的增加而增加,那么视电阻率受其影响反而会下降。由此寻找下部地层富水区的问题,就转换为寻找构造中低阻异常分布的问题。正常状况下,地层由上到下其视电阻率呈现由低到高的特征,水平横向上变化不大,但是当同一水平上岩层受构造发育产生裂隙特征或者含水较多时,那么岩石的视电阻率特征会出现异常点或者畸变点,通常这是根据电法来寻求地质异常构造体或者含水层的依据。

2.2 技术方案

矿井瞬变电磁探测技术装置选择重叠的边长为1.5 m的多匝矩形回线,叠加32次,发射部分的线框个数为10匝,接收部分的线框个数为24匝。探测测点布置于工作面切眼及两侧巷道,巷道断面为矩形,高2.5 m,采用锚网、工字钢支护。物理测点的布置间距为10 m,共有98个,测线布置如图2所示。

图2 测线位置示意图

由图2中可以看出L1探测线布置在回风巷一侧,L2、L4探测线布置在进风巷一侧,L3探测线布置在切眼侧。各探测线的方向如下,L1探测线的方向是工作面进风巷一侧顺层下10°方向,测线分布范围是自切眼向外280 m的范围;L2探测线的方向是工作面回风巷侧顺层下10°方向,测线分布范围是自切眼向外300 m的范围;L3探测线的方向是切眼巷底板方向,测线分布范围是切眼巷侧160 m范围;L4探测线的方向是切眼巷底板方向,测线分布范围是自切眼向外240 m的范围。

2.3 结果分析

测试得到的TEM视电阻率等值线断面图如图3所示。

图3 测线的视电阻率断面等值线图

从图3(a)中可以看出,L1测线的相对视电阻率值存在2处高阻异常,视电阻率值约为15～35Ω·m,其中1＃异常区位于距切眼190～235 m范围,向工作面倾向延伸约70 m,2＃异常区位于距切眼50～160 m范围,向工作面倾向延伸约50～70 m,此范围内对应巷道表面未见明显渗水、淋水,整体较为干燥,结合巷道掘进期间断面破碎情况,初步判断以上2处高阻异常均为断层破碎带影响所致且破碎带干燥未充水,从而导致相对视电阻率的异常增大。由图3(b)可知,L2测线的相对视电阻率值存在1处显著的大面积低阻异常,其值小于2Ω·m,其中走向影响范围距切眼0～125 m,向工作面倾向延伸约70 m,1＃异常区位于距切眼115～160 m范围,向工作面倾向延伸约60～100 m,根据巷道揭露及底板钻孔出水情况,初步判断该范围内存在较大面积的采空区,且已经与边界外采空区连通,富水性强,是梨树园煤业防治水的重点。图3(c)可知,相对视电阻率值存在2处低阻异常,其值小于4Ω·m,其中2＃异常区位于上端头50～100 m范围,3＃异常区位于距切眼0～30 m范围,结合此范围内断层揭露情况及掘进期间超前底板钻探结果,初步判断该范围切眼下方无采空区,认为该区域内构造发育、裂隙较多、富水性增强是导致视电阻率较低的原因。图3(d)可知,相对视电阻率值存在1处较大面积的低阻异常,其值小于2Ω·m,其位于切眼0～130 m范围内,结合L2测线探测结论及掘进期间超前底板钻探结果,判断该范围底板存在大量的采空区,且富水性较强。

从图3的数据分析中可知,L1测线的2处高阻异常区是断层影响且干燥的破碎带区域,L2测线的1处大面积低阻异常是富水性较强的采空区域,L3测线的2处低阻异常是构造裂隙发育且富水性较强的区域,但无采空区,L4测线的1处大面积低阻异常是富水性较强的采空区域,将以上各地质解释绘在工作面中如图4所示。

图4 瞬变电磁法探测结果

3 治理措施

瞬变电磁探测结果表明底板采空区存在大量积水,为防止水害事故的发生,首先采用自然排水的方式,但是就目前排水情况来看,水位标高仍高于初采区域最低点,底板采空区下仍存有大量积水。当工作面推进至初采区域时,采场及后方采空区底板大量涌水会导致底板泥岩软化、强度降低,极可能出现支架、刮板输送机歪斜、陷底、倒架等现象,严重影响推进速度,进而加剧底板的破坏。针对初采区域最低点可能面临的难题,为保证低洼处能够安全推进,决定在最低洼区域采用底板排水降压的方式。排水孔布置方案及钻孔参数如图5及表1所示,即在进风巷最低洼处布置小俯角底板排水钻孔,使得排水孔口标高尽量降低,由于进风巷45＃测点靠近富水采空区边界,且处于低洼位置,在45＃测点附近靠近切眼侧10 m处,分别向两帮底板钻孔至采空区位置,共设计施工4个钻孔,两帮各2个,设计终孔的实际深度以钻探见水为准。

图5 排水孔布置示意图

表1 进风巷排水孔参数

低洼处排水降压时一旦发现底板钻孔大量出水,即使水压不大,亦应尽量疏排采空区水体,因此必须保证孔内尽可能无堵塞,使流水保持畅通。针对实际施工中遇到不稳定煤岩层时经常塌孔、影响疏排效果的问题,钻孔采用2级结构,孔内必须下入一定的孔口管,孔口处安设法兰盘、放水三通及压力表等。在工作面回采期间,实时监测底板排水钻孔出水量变化、工作面底板出水量变化、危险区域底板出水量变化以及防排水设施运行状况。梨树园煤矿1101工作面从开切眼推进至39＃测点过程中,只观察到部分采场底板为泥岩或砂质泥岩,岩石遇水软化,部分支架底座下陷约0.2～0.3 m,但不影响正常推进,待推采至39＃测点以外,采场小幅度仰采,标高逐渐增加,后方采空区出水量逐渐降低、直至消失,未发生严重危害生产的透水事故现象。

4 结论

(1)将瞬变电磁法应用于回采工作面底板采空区富水性探测,初步判断底板采空区的富水状态及边界,提前在工作面前方的低洼处采取排水降压的方式,结果在工作面回采过程中未发生水害事故,表明瞬变电磁法具有较好的探测效果。

(2)矿井瞬变电磁法是近年来发展较为迅速的一种矿井物探技术,具有快速、经济、行之有效的优点,该法在梨树园煤矿1101工作面的成功运用为同类矿井的底板采空区富水性探测提供了参考,在富水探测方面具有广泛的应用前景。

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Application of TEM in detecting water content in goaf floor

Liu Yonghong
(Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan,Shanxi 030031,China)

In order to ascertain water-rich zone and its boundary in old goaf of Lishuayuan Coal Mine,according to the detection data from TEM based on theory of double smoke ring effect,two high-resistance abnormal areas and four low-resistance abnormal areas were delimited．For the explored water-rich areas in floor,natural drainage and low-lying drainage and pressure reduction were adopted to avoid the water disaster in process of mining．

goaf floor,water disaster,water content detection,TEM,drainage and pressure reduction

P631

A

刘勇洪(1975－),男,湖南湘潭人,硕士学历,主要从事煤矿开采、煤矿安全、巷道支护等方面的教学和研究。

(责任编辑 郭东芝)

刘勇洪.瞬变电磁技术在底板采空区富水性探测中应用[J].中国煤炭,2017,43(1):41－44. Liu Yonghong.Application of TEM in detecting water abundance of goaf floor[J].China Coal,2017,43(1):41－44.