瞬变电磁物探法在断层防隔水煤柱留设中的应用

张粉银， 王志敏

（山西宁武大运华盛能源集团有限公司， 山西 宁武 036700）

瞬变电磁物探技术是一种高效准确的地表勘探技术，目前煤矿井下为探明煤岩断层和含水情况也进行了广泛的实例研究[1-2]。目前矿井水患严重地制约着煤矿的安全生产，根据统计，80%的煤矿水害事故与构造带、断层有关，因此探明进行煤岩条件意义重大[3]。

老窑沟煤矿奥灰含水层为富水性为中等，井田内2 号、5 号煤层的隔水层厚度分别为114.58 m、48.4 m，主要由泥岩、砂质泥岩、砂岩等组成，可归属于软、硬岩交错类型隔水层。泥岩成份以泥质为主，含有砂质及碎屑物，构成了不透水的良好隔水层；砂岩及薄层灰岩结构致密、坚硬、强度高，裂隙不发育，构成了基本不透水的隔水层；这种含、隔水层相互叠置组成的地层结构，也有效地限制了砂岩与薄层灰岩的垂直裂隙发育，对提高底板的抗压强度及隔水能力最为有利，在不受地质构造破坏及构造裂隙沟通的情况下，具有较强的隔水能力。

1 采区电磁物探的探测

老窑沟矿井部分采区处于带压开采的危险区域，因此本矿防治水的关键在于对断层、底板奥灰水的防治，防止有水系导入贯通而发生突水事故。经过实地勘察与资料的整理，笔者建议对井田北部带压区内隐伏构造以及奥灰含水层富水性分布采用电磁物探法开展进一步的探查，针对其含水性和导水性进行分析，为带压开采提供较为准确的参考数据。

1.1 掘进工作面瞬变电磁法探测

对掘进工作面的瞬变电磁物探共布置有7 个方向，其中6 个为横向探测与1 个为纵向探测。如图1所示，横向探测方向设置为：探测方向1—3 与巷道顶板呈15°、30°、45°夹角，岩顺层方向探测对顶板进行探测；探测方向4—6 与巷道底板呈15°、30°、45°夹角岩顺层对底板进行探测。纵向探测方向设置为：与顺层平行、与顶底板垂直。共计7 个探测方向布置91 组测点。

图1 瞬变电磁法横向/纵向探测示意图

在实际探测中，将根据工作面实际地质情况对探测方向的角度与测点布置进行调整与增减。

1.2 回采工作面瞬变电磁法探测

回采工作面的电磁物探采用小线框法，点距可以根据探查作业是施工状态进行相应的调整。如图2为回采工作面探测示意图，采用多匝线框进行巷道的探测，以15°为间隔将探测线布置在工作面轨道顺槽、皮带顺槽或其它巷道内，测点间距控制在5～20 m。多向测得的电阻率分布情况对顶底板岩层的富水性进行推断，探测过程中矿压根据工作面探查信息对探测角度、数量进行相应的实时调整。

图2 工作面物探测线方向示意图

1.3 探查结果分析

经过对掘进和回采工作面的探查发现，老窑沟井田内主要开采的2 号煤层内带压区有8 条断层，分别为F6、F23、F26、F28、F34、F35、F71、F72；5 号煤带压区内发现12 条断层，分别为F6、F24、F26、F28、F34、F36、F38、F65、F66、F70、F71、F72。并且断层存在导水的可能性。同时，断层受采动的影响会增加扰动与错动，促使煤层顶底板各含水层与奥陶系岩溶含水层形成水力联系，导致断层附近的岩层水文地质条件变复杂，有发生水害事故的安全隐患。因此，在开采2 号、5 号煤层时，除了加强掘进、回采工作面的探放水工作外还需设置隔水安全煤柱。

2 断层防隔水煤柱留设

对于断层防隔水煤柱的留设需要《煤矿防治水细则》的相关要求，采用“含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设”以及“煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设”两种方法对2 号、5 号煤层的导水断层防隔水煤（岩）柱留设尺寸进行计算。

2.1 2 号、5 号煤层含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设

参考《煤矿防治水细则》中相关要求，对防隔水煤（岩）柱留设的宽度进行计算，参见公式（1），

式中：L为煤（岩）柱留设宽度，m；K为安全系数，本次取3；M为煤层厚度或采高，综合煤层厚度，2 号煤层取4.51 m，5 号煤层取11.73 m；T为煤体抗拉强度，2 号煤层抗拉强度取1.2 MPa，5 号煤层抗拉强度取1.0 MPa；p为水头压力。

本次计算主要为防止断层导通奥灰含水层，形成底板突水，由于该矿井奥灰承压含水层的水位标高在+1 080 m 左右，2 号煤层最低底板标高为+800 m，井田内2 号煤层底板至奥灰顶界间距最大为129.67m，压力为4.18 MPa；5 号煤层最低底板标高为+780 m，井田内5 号煤层底板至奥灰顶界间距最大为58.67 m，压力为3.66 MPa。

经计算，当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，按公式（1）计算2 号煤（岩）柱留设宽度为21.87 m，5号煤（岩）柱留设宽度为58.3 m。

2.2 2 号、5 号煤层“煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设”

根据《煤矿防治水细则》要求，当“煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设”时，防隔水煤（岩）柱的留设应当考虑两个方向上的压力：一是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压力；二是断层水在顺煤层方向上的压力。考虑到两种受力的不同，应当保证煤层底板与断层面的最小间距（L）不小于20 m（即垂直距离），同时大于防隔水煤柱的高度（H），具体计算见公式（2）：

式中：L为煤柱留设的宽度，m；Ha为断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，根据水文资质资料，勘查水压与煤厚后得出为2 号煤层为79.7 m、5 号煤层为71 m；α 为断层倾角。

2.3 防隔水煤柱的留设

根据公式（1）和（公式2），选取较高值作为2号、5 号煤层导水地质构造的防隔水煤柱留设宽度，对于导水的断层地质构造，工作面应布置在离断层约100 m 范围之外。带压去断层留设煤柱的具体计算结果整理为表1。

表1 带压区断层煤柱留设表

3 结论

老窑沟矿部分开采区域处于带压危险区，经过电磁物探法的使用，对带压开采区域的掘进工作面和回采工作面进行了多角度、多方向、多测点的探测，最终为带压区各个主要断层中防隔水煤柱的宽度留设提供了信息依据。在以后的防治水工作中需要注意一下三点：

1）加强对悬顶距的控制，以起到弱化底板矿压的效果；

2）煤柱留设的位置需可能避开断层，防止受到应力的作用导致断层发生突水；

3）优化工作面的布置方式，选择矿压最小的推进方式进行工作面的布置。