矿井异常涌水水源综合判定技术

黎 灵

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京，100013；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京，100083；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京，100013)

矿井异常涌水水源综合判定技术

黎 灵1，2，3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京，100013；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京，100083；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京，100013)

针对淖尔壕煤矿回风大巷巷帮多处发生带压异常涌水情况，为了分析邻近矿井4.1MPa采空区积水、以及淖尔壕矿厚松散层含水层对矿井异常涌水影响，判定异常涌水水源，通过对矿井回风大巷南侧边界煤柱尺寸探测、煤层物理力学性质测试、边界煤柱稳定性验算、顶板富水性探测等手段开展现场实测和理论研究，结果表明回风大巷南侧井田边界煤柱尺寸约35m，满足安全煤柱留设要求，回风大巷异常涌水水源判定为顶板含水层富水区砂岩水，为矿井进一步采取水害防治措施提供指导。

采空区积水；厚松散层富水；异常涌水；水源判定

矿井水害是矿井主要灾害之一，矿井突水事故往往造成重大的人员伤亡和财产损失。突水水源、突水通道是矿井突水灾害的主要影响因素，快速准确地判别矿井突水水源是开展水害防治和确保安全生产的前提和保障[1-3]。矿井突水水源判别方法多种多样，钻探、物探、水位动态判别法、水质分析等均为突水水源判定重要技术手段[4-7]，物探方法能快速实现大面积普查，已成为探明突水水源和通道的重要手段，瞬变电磁法因具有对低阻含水体反应灵敏、纵横向分辨率高、受体积效应影响小、工作效率高、施工灵活等特点被广泛应用[8-11]。

本文利用单点震波法探测矿井回风大巷南部边界煤柱尺寸，验算邻矿4.1MPa采空区水压作用下边界煤柱稳定性，并采用瞬变电磁法探测淖尔壕煤矿回风大巷异常涌水巷道顶板覆岩富水性，分析矿井古冲沟松散含水层富水区的影响，成功地判定回风大巷异常涌水水源，为进一步制定水害防治措施提供依据。

1 工程背景

淖尔壕煤矿主采4-2号煤层，为近水平煤层，煤层平均厚度4m，埋藏深度90～140m，基岩厚度35～110m。井田回风大巷靠近南部边界，边界以外为邻矿长壁采空区(如图1中2405采空区)，采空区常年积水，密闭处压力表显示该工作面采空区水压为4.1MPa；井田范围存在古冲沟盆地潜水富水区，井田北翼盘区东部古冲沟盆地松散层厚度大，最大可达60m，松散沙层孔隙发育且受大气降水补给，富水性强。

图1 淖尔壕煤矿古冲沟富水区与邻矿采空区位置关系

井田回风大巷南侧巷帮及顶板出现多处呈带压喷射状异常涌水，影响大巷安全使用，急需查明异常涌水水源，采取防治措施，消除隐患。

2 邻矿采空区积水影响分析

2.1 边界煤柱尺寸探测

2.1.1 单点震波法探测原理

单点震波法探测技术是源于反射地震波勘探自激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号来解析计算目的层距离或厚度的[12-15]。

按照波阻抗理论，对于不同层状介质，设z1为上层介质波阻抗，z2为下层介质波阻抗，则有：

z1=ρ1v1，z2=ρ2v2

(1)

由震波反射原理，层间界面反射系数k为：

(2)

式中，ρ为介质的密度；v为震波波速。

一般情况下，煤层的密度多分布1.3～1.5g/cm3，波速为0.8～1.5m/ms，而岩层的密度为2.4～3.0g/cm3，波速2.5～3.5m/ms，煤、岩界面反射系数一般比较大，多为0.6以上，是一个强反射界面，有利于震波反射法进行超前或煤厚探测。

2.1.2 单点震波法探测成果

本次研究采用矿井地质探测仪、矿用本安型地震仪探测矿井南部边界煤柱尺寸，探测范围为4煤回风大巷1610m范围，设计在4煤回风大巷外侧每100m布置1个单点震波法测点，测点施工布置如图2所示。测点向边界煤柱内部进行探测，每点探测4组数据，分别为增益0一组、增益24一组、增益36一组、增益48一组，每组数据炮击激发3次，4组数据共计炮击激发12次。

图2 单点震波法测点施工布置

数据处理时，将每个单点数据进行拼接后，经过偏移成像处理形成地震剖面，图3为单点震波法在4煤回风大巷外侧探测成果图。

图3 单点震波法探测成果

对2种仪器探测成果图进行分析，在有效探测深度60m范围之内，均在距离4煤回风大巷外侧帮35m左右发现相对波速异常区域，推断为采空区边界或保安煤柱边界。

2.2 边界煤柱合理性验算

2.2.1 煤层物理力学参数测定

为验算煤柱留设合理性，需测定煤层单轴抗拉强度。现场采取煤样，采用巴西劈裂法测试，对实心圆柱体试件施加径向压缩线荷载至破坏，采用力的加载方式加载，煤样采用200～500N/s的速度加载，全过程均实时采集记录数据。

表1 淖尔壕煤矿4-2煤煤样劈裂法抗拉强度测试结果

2.2.2 边界煤柱验算

积水采空区防水煤柱留设可视为煤层直接与含水层(体)相接触，可参照《煤矿防治水规定》中“关于含水或导水断层防隔水煤( 岩) 柱的留设”计算煤柱宽度，含水或导水断层防隔水煤(岩)柱留设图见图4，经验公式如下：

(3)

式中，L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，一般取2～5，建议取5；M为煤层厚度或者采高，m；P为水压，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

煤层厚度2.2～4.52m，取最大值M=4.52m，采空区埋藏深度约100～160m，采空区积水水位不断上涨最终将与松散含水层水位一致。因此，按照采空区埋深最大值作为煤柱可能承受最大水头高度计算水压，即p=1.6MPa，Kp=1.257MPa。将各参数带入公式(3)计算可得，安全煤柱宽度L=22.1m。

图4 含水或导水断层防隔水煤(岩)柱留设

由此可见，淖尔壕煤矿南部井田边界防水煤岩柱尺寸大于22.1m能确保该矿回风大巷不受邻矿采空区积水威胁。根据淖尔壕煤矿及邻矿提供的采掘平面图测量，两矿之间边界煤柱设计留设总宽度为46m，根据单点震波法探测煤柱宽度约35m，设计留设煤柱宽度与物探煤柱宽度均满足煤柱稳定性验算要求，矿井回风大巷煤壁异常涌水排除邻矿采空区积水影响。

3 顶板及松散含水层影响分析

3.1 矿井瞬变电磁法探测布置

瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。矿井瞬变电磁法则是在井下进行探测，对于探测煤层顶板富水性效果较好，应用广泛，本次矿井瞬变电磁探测4煤回风大巷顶板富水性探测参数布置如下：

探测范围为4煤回风大巷1610m范围(探测范围同单点震波法探测范围，如图2)，设计5条测线，内侧顶板60°、顶板90°、外侧顶板60°、外侧顶板30°、外侧顺层，探测方向(即线圈法线方向与巷道顶板水平面所成角度)，测线方向布置如图5。每条测线长1610m；每条测线点间距10m，测点由巷口开始布置，编号依次为0，1，2…

图5 瞬变电磁测线角度布置

3.2 顶板水影响分析

本次瞬变电磁探测数据经过反演计算处理后，主要形成各探测方向二维电阻率剖面图，用于推断解释4煤回风大巷顶板富水区分布情况。图6为4煤回风大巷顶板矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面图，图中横坐标为回风大巷1610m范围，纵坐标轴为沿探测方向的距离。

由图6可以看出：

(1)回风大巷1610m范围顶板存在12处低阻异常区，推断为顶板富水区，且顶板富水区主要集中在0～50，180～340，370～720，1100～1400及1430～1600m范围，该区域可作为顶板疏放水重点对象考虑。

(2)在有效探测深度为100m范围之内，结合现场环境、基岩厚度等相关地质资料推断顶板方向低阻异常为松散含水层富水区影响。

图6 4煤回风大巷顶板90°方向0～1610m矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面

由以上探测、分析可知，淖尔壕矿南部边界煤柱尺寸约35m，满足邻矿采空区水压条件下隔水煤柱稳定性要求，矿井回风大巷异常涌水排除邻矿采空区积水影响；顶板富水性瞬变电磁探测显示，上覆松散含水层存在多处富水异常区，回风大巷煤壁异常涌水主要受上覆松散含水层富水区影响。

4 结 论

(1)在存在采空积水区威胁时，通过单点震波法物探手段，可有效探测采掘空间与采空区之间煤岩柱尺寸，验算煤柱稳定性，评价采空积水区威胁程度。

(2)矿井瞬变电磁法对顶板富水性探测具有良好效果，能有效探明富水区平面分布及空间位置，为进一步开展顶板富水区疏放工作提供依据。

(3)矿井受采空积水区、顶板富水区等复合水源影响条件下发生异常涌水时，瞬变电磁法、单点震波法等物探手段能快速探测水源与通道，对消除水害隐患确保安全生产具有重要指导意义。

[1]宫凤强，鲁金涛.基于主成分分析与距离判别分析法的突水水源识别方法[J].采矿与安全工程学报，2014，31(2)：236-242.

[2]刘剑民，王继仁，刘银朋，等.基于水化学分析的煤矿矿井突水水源判别[J].安全与环境学报，2015，15(1)：31-34.

[3]王 震，朱术云，段宏飞，等.基于灰色系统关联分析的矿井突水水源判别[J].煤矿安全，2012,43(7)：132-135.

[4]李 燕，徐志敏，刘 勇.矿井突水水源判别方法概述[J]. 煤炭技术，2010，29(11)：87-89.

[5]李再兴，张凤鸣，庞 良，等.有关矿井突水水源判别方法的探讨[J].地下水，2009，31( 9)：16-20.

[6]刘剑民，王继仁，何治良.基于多元混合模型的煤矿矿井突水水源分析[J].中国安全科学学报，2013,23(12)：95-100.

[7]杨永国，黄福臣.非线性方法在矿井突水水源判别中的应用研究[J].中国矿业大学学报，2007，36(3)：283 -286.

[8]李宏杰.瞬变电磁探测技术在煤矿防治水中的应用[J].煤矿安全，2013，44(4)：159-161.

[9]牟 义，李 文，黎 灵，等.矿井瞬变电磁法在工作面顶板富水性探测中的应用[J].煤矿安全，2011，42(1)：104-109.

[10]罗平平，范 波，李松平.井下瞬变电磁法在底板富水异常区探测中的应用[J].河南理工大学学报，2011，30 (1)：27-33.

[11]张 军，赵 莹，李 萍.矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012，9(1)： 49-53.

[12]牟 义，黎 灵，张永超，等.浅层地震法探测浅煤层采空区试验研究[J].煤炭技术，2014，33(6)：69-71.

[13]杨希瑞，刘志文，王 萍，等.反射共偏移探测技术在提高煤炭采出率中的应用[J].煤炭科学技术，2007，35(4)：34-36.

[14]李宏杰.浅层地震和瞬变电磁法在采空区探测中的应用研究[J].煤矿开采，2013，18(1)：17-20.

[15]吴正飞，韩德品，王 程，等.综采工作面薄煤带范围精细综合物探[J]. 煤矿安全，2014，45(12)：68-71.

[责任编辑：张玉军]

Comprehensive Determination Technology of Mine Abnormal Inrush Water Source

LI Ling1,2,3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Resource and Safety Engineering School，China University of Mine Technology(Beijing)，Beijing 100083，China； 3.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

Abnormal water burst appeared at some position of ventilation roadway side of Zhuoerhao coal mine，in order to analysis the influence nearby 4.1MPa goaf water and thick alluvium aquifer of Zhuoerhao coal mine to abnormal water burst，then abnormal water burst source was determined，according field test and theoretical study，coal pillar sizes exploration of south side of ventilation roadway，coal seam physical and mechanical property testing，stability calculation of coal pillar，exploration of roof waterly，the results showed that mine field boundary coal pillar sizes of ventilation roadway south was 35m，it satisfied safety of coal pillar set，abnormal water source was sandstone water of roof aquifer，and these reference for water damage control.

goaf water；thick alluvium abundant water；abnormal inrush water；water source determination

2017-04-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.026

国家重大专项(2016ZX05045001-004)；国家自然科学基金资助项目(51674142)

黎 灵(1984-)，男，江西抚州人，助理研究员，主要从事煤矿水害防治、覆岩破坏方面研究工作。

黎 灵.矿井异常涌水水源综合判定技术[J].煤矿开采，2017，22(4)：100-102，105.

TD745 21

A

1006-6225(2017)04-0100-03