综采工作面顶板巨厚砂岩层富水性精细探测*

刘 飞

(陕西建新煤化有限责任公司，陕西 延安 727300)

0 引言

黄陇矿区建新煤矿4-2煤层顶板与侏罗系直罗组底板距离为41～43 m，位于垮落带范围内，煤层上覆“小街砂岩”和直罗砂岩可能存在富水异常区及胶结不良地质体，工作面回采期间有可能造成涌水量较大和“溃水溃砂”灾害。工作面煤层顶板到洛河组含水层距离仅有157～167 m，煤层回采后的导水裂隙带可以直接波及该含水层，虽然以往工作面洛河组含水层水害问题不突出，但由于该含水层厚度大、富水性空间分布不均，现有资料不能准确反映4207工作面洛河组含水层富水性情况，无法评估其对工作面回采的水害威胁程度。因此，工作面回采前需要对工作面顶板富水性及富水积聚区进行探测，寻找靶区，直流电法测深将电极布置在巷道顺槽的顶板，通过多个矿区验证该方法对顶板巨厚砂岩层富水性反映良好。

1 矿井直流电法高分辨测深原理

直流电法测深法是研究深度方向地层电性变化规律，从而获得深度方向地层各种地质信息的一种物探方法。它是在同一点逐次增大供电电极距，使勘探深度由小逐渐变大，于是可以观测到测点处沿深度方向由浅到深地层的变化特征，来研究电性分层和水文地质问题[13]。矿井直流电法测深属常规直流电法，井下实测的主要是电压(V)、电流(I)。

2 探测技术

基于矿井巷道实际条件、结合施工效率及探测精度，通常采用三极测深法进行施工[46]。探测时在顶板上相对固定测量电极M、N，由近及远地移动供电电极A，达到由浅到深的目的[78]。矿井直流电法高分辨探测是在工作面形成后，在工作面的顺槽进行施工，如图1所示。

图1 矿井直流电测深施工示意Fig.1 Mine direct current sounding construction diagram

井下采集的第一手资料是反映岩石电性特征的视电阻率(单位：Ω·m)，使用矿井高分辨电测深专用软件对井下采集的原始数据进行处理和解释[910]，经过系列处理后，绘制成所需要的各种定性图件和定量图件。如视电阻率等值线断面图、低阻异常地质解释等值线断面图、平面图[11]。

3 数值模拟

通过直流电三维有限元反演软件 RES2DINV，设置了巷道高、宽均为5 m，在巷道上到顶板上方设置边长为20 m，电阻是10 Ω·m的正方体地质异常体(模型一)，该模型最近距离巷道顶板120 m，在巷道上到顶板上方设置边长为30 m，电阻是5 Ω·m的正方体地质异常体(模型二)，该模型最近距离巷道顶板90 m，围岩的电阻100 Ω·m，其中巷道电阻设置为10 000 Ω·m，如图2所示，采用MNB三极测深装置，MN间距4 m，等间隔4 m跑极进行测量，探测结果如图3所示。

图2 低阻异常理论模型Fig.2 Low-resistance anomaly theoretical model

图3为巷道顶板探测后的视电阻率等值线断面图，图中发现有两处相对明显的低阻异常区，依次编号为①号和②号异常区。其中①号异常主要分布在沿探测方向20～40 m范围、探测深度120～150 m范围，该视电阻率低阻异常区与设置的模型一范围基本一致；②号异常主要分布在沿探测方向125～155 m范围、探测深度90～150 m范围，该视电阻率低阻异常区与设置的模型二范围基本一致。但通过仔细对比设置模型和数值模拟结果会发现在前部未探测到低阻异常时视电阻率等值线呈现均匀变小趋势，在0～80 m深度，2个异常体附近视电阻率等值线都是140～102 Ω·m均匀变化，在模型二设置的电阻值更小，其等值线较模型一变化更加剧烈，也说明电阻越小对电流的吸引越明显。

图3 顶板探测视电阻率等值线断面图Fig.3 Cross-sectional view of the contour of apparent resistivity detected by the roof

通过对比数值模拟与设置的模型空间位置后发现，在横向上吻合度较纵向上高，这也证明了直流电法测深法的一个特点。同时，直流电法能够有效区分出2个邻近的、阻值不同的地质异常模型，其探测精度较高。

4 应用实例

建新矿区位于陕西省重要煤产地焦坪—店头矿区的交接地段，4207工作面位于42盘区西翼，工作面呈西南—东北方向布置，其西为4205工作面(未开采)，东界为4209工作面(未开采)，南界为4-2煤层可采边界，北界为42盘区巷道保护煤柱。钻孔资料揭露工作面顶板上约40 m为延安组裂隙含水层，为4号煤层顶板直接充水含水层，延安组往上约100～112 m为直罗组下部孔隙裂隙含水层，为顶板间接含水层，约157～167 m往上为洛河组砂岩裂隙孔隙含水层，为顶板上间接含水层。根据水文勘探成果显示工作面回采时顶板涌水的主要水源为直罗组下部孔隙含水层，该含水层对工作面回采影响较大，为了防止类似铜川矿区照金煤矿“4·25”透水事故的发生，采用高分辨直流电法技术对工作面顶板岩层的富水异常区进行探测，为后期工作面安全回采提供参考资料。

通过两顺槽地质揭露，4207工作面煤层赋存稳定，运输顺槽在掘进至1 037 m时，揭露一条正断层，断层产状为NE270°∠28°，落差2.8 m，该断层在运输顺槽揭露长度为27 m，回风顺槽掘进过程中未揭露断层，但在巷道掘进至800 m时出现明显褶皱，根据运输顺槽揭露的断层走向分析，判断该断层在工作面内发育延续至回顺，在揭露断层处煤层底板起伏变化较大，造成巷道内矸石多。工作面掘进过程中运、回顺及切眼分别出现顶板滴水现象，水量小，出水一般持续3～5 d后逐渐减小，然后消失。根据工作面掘进过程揭露情况及水文地质条件分析，工作面回采主要的水害因素为顶板砂岩水及构造裂隙等局部富水。工作面回采前应通过物探手段对煤层顶板进行富水性探查，查明顶板富水性异常区域，确定煤层上部含水层的影响程度，针对富水和构造等异常区采取相应的超前探放等防治水措施，提前消除水害对工作面回采的影响。

4207工作面顶板直流电法低阻异常断面图，如图4所示。结合工作面顶板水文地质情况，推断①、③号异常区为顶板洛河组砂岩局部富水所致，推断②号异常区为工作面顶板上覆4-2号煤层裂隙发育及弱含水所致。

图4 4207工作面顶板直流电法低阻异常断面Fig.4 Low-resistance anomalous section of 4207 working face roof by direct current method

根据4207工作面回风顺槽顶板直流电法探测的成果，在4207工作面回风顺槽内布置钻场，同一钻场布置多个方向钻孔，钻孔参数及涌水量见表1。

表1 验证钻孔的初始涌水量统计

通过钻孔对本次探测成果的验证，发现在异常区及附近的钻孔最小出水量为3 m3/h，最大初始涌水量为10 m3/h。

5 结语

通过理论模拟，结果表明直流电法测深能够有效探明并识别巨厚含水层富水异常区，在建新煤矿4207工作面顶板直流电法探测成果为疏放水提供精准靶区，对面临顶板砂岩水威胁的矿井探放水工作具有借鉴作用。