山西三元煤业4326工作面煤层顶底板富水性探测与分析

李 朋

（山西三元煤业股份有限公司）

在富水区或潜在导水通道的位置及其分布范围相对于周围煤岩层都有明显的电性差异，含水岩层会表现低电阻率特性，否则会表现为相对高阻特性。当存在局部异常体，如采空区、断层、溶洞穴、裂隙带等并充水时则表现为局部低阻异常区；而裂隙比较发育的断层带或且有一定规模的采空区不充水时则表现为相对高阻异常区。本研究采用理论分析、现场原位测试（音频电透视法）等技术，针对4326 工作面范围内煤层顶底板煤岩段富水性进行探测研究，为煤矿水害防治、安全生产等提供科学依据［1-7］。

1 工作面概况

三元煤业现开采3 号煤层，平均厚度为7.3m，煤层倾角为1°～11°，为黑色块状或粉末状，光亮型煤，玻璃光泽参差状断口，节理裂隙为黄铁矿等充填。煤层赋存稳定，亮煤为主，暗煤次之，半亮型煤，结构简单，全区稳定可采煤层，煤层及顶底板岩性见表1。开拓方式为立井开拓，单一水平开采，在煤矿中部沿南北方向布置胶轮、皮带和回风大巷。4326 回采工作面东为四采区准备巷道，西为实体煤（靠近DF1 断层）。工作面回风顺槽长2 410 m，运输顺槽长2 270 m，切眼宽241.5 m，开采标高为+501～+582 m。

两顺槽揭露工作面整体地质构造简单，煤层赋存稳定，局部煤层节理、裂隙较发育。根据4326风运两巷实测标高和煤层底板等高线分析，4326 工作面存在3 条褶曲构造，分别距切眼292 m 向斜，距切眼1 010 m 背斜，距切眼1 290 m 背斜，未发现其他断层和较大褶曲构造，但不排除回采期间揭露隐伏地质构造或者受断层影响伴生小型地质构造。

2 水文地质情况

据地面调查资料，4326 工作面地表无水体。根据周边钻孔资料分析，该区域第四系厚度为70～144 m，基岩厚度211～317 m，加之各隔水层的作用，回采期间导水裂隙带远不足以沟通上覆含水层，对本区域生产影响不大。

根据地质钻孔资料，煤层顶板K8 砂岩水距顶板约41m，回采过程中可能导通上覆顶板砂岩含水层和K8 砂岩含水层。顶板砂岩水单位涌水量为0.016 3 L/（s·m），渗透系数为1.810 m/d，水质类型HCO3-Na型，富水性弱—中等，预测工作面顶板淋水量为0.5～3 m3/h。

4326 工作面底板标高在+501～+582 m，矿井水文观测孔实测奥灰水位在+649～+651 m，该工作面进入带压区域，根据附近901 号和1101 地质钻孔资料，底板最大突水系数0.018 MPa/m，该段小于受构造破坏突水系数0.06 MPa/m，属于相对安全区域；根据901号地质钻孔资料，底板砂岩含水层距3号煤层底板约7 m，根据掘进期间富水异常区专项探测成果分析，K7 富水异常区均已探明，未发现有出水现象。但不排除回采过程中受采动影响出现底板出水的可能，在回采过程中底板破坏裂隙带可能导通下覆底板K7砂岩含水层或工作面底板下方存在的隐伏导水通道。

3 顶底板富水性探测方案

音频电透视方法主要探查工作面顶底板内部的电性变化，对采长较大的工作面还具有探测工作面内部地质构造的优势。工作面音频透视现场施工在工作面一顺槽进行发射，对应巷道进行扇形扫描接收（图1），达到探测工作面内部导、含水构造的目的。

本次音频电透视的工作区域测点布置以切眼为起点，用皮尺量距，以10 m 为点距，在4326 运输顺槽布置228 个测点，编号依次为1#～228#；在4326 回风顺槽布置241 个测点，编号依次为1#～241#。4326 工作面顶板探测共布设470 个测点。发射（供电）点距50 m，运输顺槽46 个发射点，回风顺槽49 个发射点，共计95 个；接收点距10 m，运输顺槽228 个接收点，回风顺槽241 个接收点，共计469 个。4326 工作面顺煤层探测共布设470个测点。发射（供电）点距50 m，运输顺槽46 个发射点，回风顺槽49 个发射点，共计95个；接收点距10 m，运输顺槽228个接收点，回风顺槽241 个接收点，共计469 个。4326 工作面底板探测共布设470个测点。发射（供电）点距50 m，运输顺槽46个发射点，回风顺槽49 个发射点，共计95 个；接收点距10 m，运输顺槽228 个接收点，回风顺槽241 个接收点，共计469个。

工作面两顺槽均采用锚网支护，回风顺槽距离切眼890～900 m 顶板存在滴水现象，其他区域较干燥，运输顺槽整体干燥，探测点附近无铁轨、支架、综掘机等大型金属物体；施工期间巷道内供电均处于闭锁状态，整体环境满足探测条件要求。

音频电透视法在采煤工作面的两巷道间进行，每隔10 m 布设1 个测量点，每50 m 布设1 个发射点。对应每个发射点，在另一个巷道的扇形对称区间进行观测，以确保采面内各单元有2 次以上覆盖。MN 测量电极垂直巷道走向，打在坚实的原生岩层上，以避免电极极化不稳定现象。两巷道内探测时，供电、接收点位置采取了避开滴、淋水区；电极布置于巷道中部；接收电极MN 连线垂直顺槽走向。井下物探施工时，回风顺槽、胶运顺槽均有排水管、供电电缆，但因物探使用低频工作，这些因素对物探信号影响较小。

对YBT32 音频电透视仪的稳定性开展试验工作，现场在同一点位使用相同仪器，采用同一参数进行反复观测，计算2组采样数据的相对均方误差以分析仪器的稳定性。根据以往的探测经验和4326工作面情况，本次探测使用128 Hz 和16 Hz 频率，90 V 供电。试验工作于工作面切眼位置开展，现场在运输顺槽切眼位置布置1 道发射点，对向回风顺槽布置8道接收点，3 次采用128 Hz、90 V 电压供电发射、接收，通过对接收到的电压、电流值进行对比，数据值变化较小，偏差在0.1～0.2，其误差小于5%，说明仪器设备稳定性良好。

4 探测结果分析与富水性划定

本次音频电透视勘探深度参照频率域电场理论及实际勘探经验，勘探采用16 Hz 和128 Hz 2 个频率测试，分别反映探测深度40～80 m和0～40 m。在地层层位分布稳定、岩性相对均一的情况下，电性分布稳定，视电导率等值线分布均匀、变化平缓。若存在含、导水构造，电性分布均匀规律被打破，反映在图上为视电导率值增大，视电导率等值线扭曲，变形为圈闭或者呈条带状。

4.1 坐标系统建立与工作面模拟

坐标系建立以4326 工作面运输顺槽切眼位置作为坐标原点，沿4326运输顺槽指向巷道开口位置方向为X轴正向，垂向运输顺槽指向回风顺槽方向为Y轴正向（图2）。4326工作面内可用导线点坐标及底板高程数据进行工作面数值模拟及3D建模。

4.2 探测成果综合分析

顶板16 Hz 工作频率探测视电导率异常成果图（图3（a））显示，该工作频率主要反映顶板上方40～80 m 层段范围地层地电特征，视电导率值较均一，未划分异常区，认为煤层顶板40～80 m 层段内砂岩含水层富水性很弱。128 Hz 工作频率主要反映顶板上方0～40 m 层段范围地层地电特征，电导率值较均一（图3（b）），认为煤层顶板0～40 m 层段内砂岩含水层富水性很弱。

顺煤层探测视电导率异常成果图（图4）显示，整体视电导率值较均一，因此未划分异常区，综合分析工作面内富水性很弱。

底板16 Hz 工作频率探测视电导率异常成果见图5（a），该工作频率主要反映底板下方-40～-80 m 层段范围地层地电特征，共圈定2 处高视电导率异常（编号为YC1、YC3）。128 Hz 工作频率主要反映底板下方0～-40 m层段范围地层地电特征（图5（b）），分析共圈定3 处高视电导率异常（编号为YC1～YC3）。YC1 异常区横向距切眼150～400 m 处，呈条状分布，影响面积约60 000 m2，该区域位于向斜轴部区域，综合分析认为该异常为向斜轴部底板砂岩含水层和灰岩含水层局部富水所致，影响程度较大。YC2异常区横向距切眼550～930 m 处，呈条状分布，影响面积约48 000 m2，分析可能为底板K7 砂岩含水层局部富水所致，影响程度较小；YC3异常区靠近回风顺槽，横向距切眼1 370～1 650 m 处，呈条状分布，影响面积约16 700 m2，该区域位于向斜轴部附近，综合分析认为该异常为受向斜影响底板砂岩含水层和灰岩含水层局部富水所致，影响程度较大。

5 结论

（1）本次物探工作使用音频电透视技术探测了4326 工作面顶底板0～80 m 方向范围内的异常分布特征，运输顺槽探测长度2 268 m，回风顺槽探测长度2 400 m；通过数据处理分析解释，在工作面顶底板80 m范围内圈定3处视电导率异常区域（YC1～YC3），YC1和YC3异常区分布在向斜轴部区域附近，发育深度位于煤层底板0～-80 m 范围，综合分析为受向斜轴部影响煤层底板砂岩和灰岩含水层局部富水所致，YC2 异常区发育深度位于煤层底板0～-40 m 范围，分析可能为底板K7砂岩含水层局部富水所致。

（2）由于井下电法探测深度的限制，实际上成果资料反映的水文地质信息仅局限于一定深度（或高度）范围内地层的水文条件，而矿井涌水的变化不仅受井下电法涉及区域地层的水文地质条件，还与测区外的含水构造的发育、连通情况、补给源、水头压力及煤层厚度、采煤方法、回采速度等诸多因素相关。随着上述因素的不同变化，涌水量、涌水位置、时间也会在一定程度上变化。