燕子山煤矿8202工作面上覆多层采空区水害勘探技术应用

程 帅

(晋能控股煤业集团 燕子山矿，山西 大同 037037)

1 工程概况

燕子山煤矿8202工作面地面位于小蒜沟村保护煤柱以北，马脊梁沟以西的山梁地带，地面有少量杨树，埋深377～512/445 m.雨季时有少量积水，地面水体、建筑物对采掘作业施工无影响。8202工作面井下位于4号层302盘区，工作面煤层结构复杂，厚度稳定，煤层有益厚度为5.12～9.34 m，有7～9层0.12～1.18 m的夹石，工作面对应上覆11号、14-2号、14-3号煤层采空区，结合矿区相似工作面生产实践经验，工作面回采期间上覆采空区积水或将通过封闭质量不佳的钻孔涌入工作面，危险工作面的安全生产，为掌握上覆采空区富水情况，保障工作面的安全生产，拟通过井上下瞬变电磁资料解释方法掌握上覆采空区富水情况，并设计合理的防治措施。

2 上覆采空积水位置探测可行性分析

燕子山煤矿8202工作面上覆可采煤层主要有11号、14-2号及14-3号煤层，结合以往采掘工程布置情况得知，8208工作面上覆三层煤层基本均已采空，与14-3号煤层采空区间垂直距离约为168 m，14-3号煤层厚度为1.12～3.98 m，均厚2.79 m，14-3号煤层与14-2号煤层层间距约为8 m，14-3号煤层开采将通过垮落带裂隙带与上覆14-2号煤层采空区联通；14-2号煤层厚度3.65～3.89 m，均厚2.96 m，与上覆11号煤层平均层间距为25.7 m，14-2号、14-3号煤层均开采后，同样有可能通过垮落带和裂隙带与上覆11号煤层采空区联通。采空区上覆岩层破碎垮落后，岩性疏松，整体密度变小，垮落带内裂缝、裂隙异常发育，相对于正常地层层位存在一定程度紊乱的现象，局部甚至形成较小的空洞，导致该区域内的电阻率上升；裂隙带内岩层的岩层变化不是很明显，但其裂隙发育程度相对于原地层较高，裂隙导致该部分岩层的导电性变弱，视电阻率升高[1-2]。采空区积水一般位于最下方煤层采空区内，当采空区垮落带、裂隙带内积水时，该区域的电阻率将明显降低，综上可知，燕子山煤矿8202工作面上覆采空区具备良好的瞬变电磁法勘探条件。

3 探测方法及工程布置

本次勘察的主要任务是查明8202工作面上覆三组煤采空区内积水的情况，结合国内相关研究成果[3-4]，瞬变电磁法对于高阻结构体穿透力强，对于富水低阻结构体反应灵敏，但是当进行多层采空区的勘探时，地面瞬变电磁响应在第一层采空区积水影响下将变得很微弱，对于下部第二层、第三层采空区的探测结果精确程度将有所下降，此时可通过在井下回采巷道对上覆采空区进行探测，可避免首层采空区的低阻屏蔽效益，若想实现井上井下对于同一目标层位的勘探，需要保证井上井下探测位置的统一性。

本次勘探井下测点、测线布置在8202工作面的回采巷道内，地面测点根据井下测点至勘探对应位置的地面投影点进行布置，井下瞬变电磁勘探可以多角度进行探测，因此地面测线沿工作面推进方向平行布置，并向工作面两侧延伸，确保井上、井下探测的目标层位一致。井下探测装置在两个巷道内接收信号，为确保探测距离不超出仪器的极限，需对井下探测的角度进行分析，本次所有仪器的最大探测距离为200 m，因此设计探测的角度α为-60°、-75°、0°、75°、60°，计算可知探测的最远距离为185 m，在仪器允许的探测范围内。为尽量避免回采巷道内材料车、胶带机等金属设备对于信号的干扰，井下测点选择在干扰物相对较少的巷段，回风巷内测点及测线布置在采位线600～1 000 m，运输巷布置在采位线1 000～1 600 m，井下瞬变电磁测点间距为10 m，采用多匝重叠回线采集数据，线圈采用边长1.5 m的正方形，发射频率为6.25 Hz，叠加30次。井上地面测点的间距为10 m，平行测线间的距离为20 m，采用发射线框边长300 m的大定源回线装置，发射频率为25 Hz，在中部边长三分之一进行数据采集，接收线圈等效接收面积100 m2，8202工作面井上下瞬变电磁测点、测线布置原理如图1所示。

3.1 地面瞬变电磁法

通过对现场采集数据的处理，得到上覆采空区不同层位的视电阻平面图如图2所示，各煤层采空区的视电阻率等值线数值为70～140 Ω·m，局部存在明显的低阻异常区，低阻区内视电阻率为70～90 Ω·m，低阻区的水平投影形态呈现不规则型，三个煤层层位出现低阻异常区的位置基本一致，这三处低阻区很可能为相应煤层采空区积水区。

图2 各采空区层位视电阻率平面图

3.2 井下瞬变电磁法

选取顶板垂直方向视电阻率断面图,如图3所示，距巷道顶板0～45 m范围内视电阻率为40～100 Ω·m，顶板探测区域的中部和远处视电阻率为0～60 Ω·m，存在不同高度和形状的低阻异常区，点号13号～17号之间的条带状低阻异常区是由于数据采集时巷道内存在大量的铁器干扰所致；点号21号～23号之间顶板存在低阻异常区是由于顶板悬挂的隔爆水袋影响所致；上覆三层煤采空区层位为160～170 m，该层位在点号1号～2号、22号～23号、37号～41号、49号～54号存在的低阻异常区可能由于采空区积水所导致。

4 瞬变电磁资料和钻探资料联合解释

依据井上下瞬变电磁勘探结果，并结合上覆11号、14-2号、14-3号煤层采掘工程平面图，可确定各煤层采空区低阻异常区与巷道的相对位置如图4所示。上覆采空区内共存在三个明显的低阻异常区，JS-1处14-3号煤层已采空，且上覆14-2号、11号煤层采空区通过导水裂隙带与其联通，该区域可判定为14-3号煤层采空区积水区域；JS-2、JS-3区域14-3号煤层未进行采掘，则可判定该区域为14-2号煤层采空区积水区域。对上覆积水异常区进行钻探施工，终孔层位均为14-2号煤层，JS-1区域施工8202-2号探放水钻孔，共疏放采空区积水13 500 m3，JS-2区域施工8202-5号探放水钻孔，共疏放采空区积水15 600 m3，JS-3区域施工8202-5号探放水钻孔，施工8202-9号探放水钻孔，共疏放采空区积水8 000 m3，验证了井上下瞬变电磁法勘探结果的真实可靠性，同时解除了工作面回采期间的充水威胁。

图3 顶板垂直方向视电阻率变化规律

图4 解释成果及采掘工程示意

5 结 语

通过对燕子山煤矿8202工作面上覆煤层采空区开采、地质条件等分析讨论，确定上覆采空区积水进行勘探的可行性，结合现场工程地质条件设计地面、井下瞬变电磁法联合探测技术，地面瞬变电磁法探测多层采空区时存在首层采空区“低阻屏蔽”效应，井下瞬变电磁法探测技术易受到井下铁器设备干扰，通过地面、井下瞬变电磁法成果联合解释可成功弥补彼此的不足，提高探测的精度，通过实地探测确定8202工作面上覆采空内的低阻异常区，通过施工钻孔验证勘探结果并对采空区积水进行疏放，表明井上下瞬变电磁法勘探具有更高的精度，同时解除了工作面回采期间的充水威胁。