东峰矿8101 工作面并行电法探测顶板富水区技术研究

郭斌

（忻州市应急管理局，山西忻州 034000）

1 概况

我国煤炭资源丰富，许多煤田中存在多层可采煤层，储量十分丰富，然而多煤层赋存的煤田中建设的矿井，上部煤层开采后采空区中的积水常常是威胁下部煤层开采的主要水源之一。为了消除上覆采空区积水对下部煤层开采的影响，国内外众多专家和学者从不同角度出发研究了顶板采空区积水的防治方法，取得了丰硕的成果，指导了矿井的安全生产。本文以东峰矿8101 工作面为例，采用并行电法探查了煤层顶板和采空区的富水性，为8101工作面的安全生产提供了依据。

2 工程情况

东峰矿位于山西省太原市西部的万柏林区王封乡冀家沟村，主要开采2～9 号煤层。8101 工作面位于矿井一采区北部，工作面东部为井田边界，南部为8102 综采工作面采空区，西部为上山辅助运输巷、上山辅助回风巷，东部为采区边界，对应地面位置位于东曲街道办西岭头村委会随老母村北部，矿区工业广场东北部，地表呈第四系杂填土、基岩中山区地貌，地面多被植被和灌木覆盖，沟谷和山梁相间分布，地形比较复杂。8101 工作面开采区域的中部为地势最高点，标高为+1375.6 m，开采区域的东部为势最低点，标高为+1185 m。8101 工作面主要开采8 号煤层，煤层厚度为2.7～3.3 m，平均为3.1 m，局部含2 层夹矸，矸石总厚度为0.02～0.1 m，煤层倾角为2°～6°，平均为4°。8101 工作面设计长度为466 m，可采长度为450 m，设计宽度150 m，煤层顶板标高+1066.6—+1097.1 m，煤层埋深为103.5～297.1 m，煤层顶底板岩层发育情况如图1 所示。

图1 8101 工作面煤层顶、底板岩层综合柱状示意Fig.1 The comprehensive columnar diagram of coal seam roof and floor strata in No.8101 Face

8101 工作面煤层上距L1石灰岩含水层平均距离3.0 m，L1石灰岩含水层平均厚度为2.3 m，富水性较弱，水质类型为SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型；煤层上距K2石灰岩含水层平均距离为10.85 m，K2石灰岩含水层厚度为6.38 m，富水性较弱，水质类型为SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型。根据前期地面钻探情况分析，L1薄层石灰岩含水层单位涌水量小于0.05 L/s·m，充水强度较弱，对工作面回采影响较小，但工作面上覆存在7 号煤层的采空区，7 号煤层距离8 号煤层的平均距离为24.37 m，位于8 号煤层开采后形成的导水裂隙带范围内，由于上覆7 号煤层采空区煤层底板高程未收集，无法判断7 号煤层采空区中可能积水区域的位置，探放位置不准、疏放不干净的情况下对8 号煤层的安全开采造成严重的威胁，因此需要对8101 工作面顶板富水区域进行探查，确保工作面安全生产。

3 并行电法探测技术研究

目前针对矿井顶板富水性探测的技术手段较多，其中应用比较广泛的主要包括瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、直流电法和并行电法等。瞬变电磁法受井下施工现场的锚网、锚杆等金属支护材料影响严重，探测结果准确性较差；可控源音频大地电磁法由于仪器设备价格较高，需要较大的资金投入，目前应用较少，并且由于不同的矿井地质条件存在较大差异，不同地质条件下煤岩层电阻率差异较大，造成可控源音频大地电磁法数据的解释较为复杂，不仅需要经验丰富的专业人士进行解释，而且工作量较大；直流电法探测准确性较高，但目前仍存在顶板电极耦合困难、探测深度较小等问题，而并行电法能够很好的解决该问题，因此，此次东峰矿8101 工作面采用并行电法探测煤层顶板的富水性和采空区的充水性。

3.1 技术原理

煤炭为典型的沉积矿产，煤系地层通常具有清晰的沉积层序，因此在正常的条件下，煤岩层有较为固定的变化规律，为使用电法探查岩层的富水性提供了前提条件。并行电法是以直流电法为基础，各电极通过网络协议与主机保持实时联系，能够很好的规避电极耦合的问题，并且通过多电机的联合探测，能够有效增加探测深度，目前较为流行的主要包括AM 法和ABM 法两种，如图2 所示。

图2 网络并行电法采集电位图Fig.2 Network parallel electrical acquisition potential

3.2 并行电法探测现场布置

为此次东峰矿8101 工作面探测过程中使用到的仪器设备：①安徽惠州地质安全研究院生产的YBD11-Z 型矿用网络并行电法仪，如图3 所示；②电极48 对（96 个）；③采集基站5 台；④采集大线6 根。施工前首先在巷道侧帮上施工安装电极的钻孔，孔间距为10 m，孔深为2 m，采用炮泥耦合的方式将电极与孔壁继进行耦合，具体布置情况如图4 所示。

图3 并行电法探测仪器Fig.3 Parallel electrical exploration instrument

图4 探测系统布置示意Fig.4 Exploration system layout

现场数据采集采用AM 法，选用0.1、0.2、0.5、1、2 s 恒流供电方波各采集数据一次，以校验电阻率数据采集的可靠性。

3.3 数据处理

此次8101 工作面顶板并行电法探测技术所有测站采用串联的方式进行，根据现场编录情况，对电流和电压数据进行预处理，原始数据如图5 和图6 所示。

图5 实测原始电流数据曲线Fig.5 The measured original current data curve

图6 实测原始电压数据曲线Fig.6 The measured original voltage data curve

数据处理采用AGI-Earth Imager 3D 软件进行，得到如图7 所示结果，根据相邻工作面地面勘探钻孔ZB-12 的测井曲线可知，第四系松散地层平均视电阻率值为25 Ω·m 左右；8 号煤层顶板的石灰岩表现为相对高阻，平均视电阻率值为200 Ω·m左右，顶板砂岩电阻率平均为29 Ω·m 左右，其它岩层的视电阻率平均值亦为25 Ω·m 左右。

图7 8101 工作面煤层顶板不同位置视电阻率分布图Fig.7 The distribution of apparent resistivity at different positions of coal seam roof in No.8101 Face

从图7 中可以看出，8101 工作面顶板左边区域主要表现为相对高阻，右边区域主要表现为相对低阻。通过综合分析初步推断靠近右侧上巷的“Y”字型区域为一低阻异常区，对应水平方向230～400 m，联络巷/切眼方向0～150m，在现场进行电法数据采集时发现该区域顶板有顶板淋水，可能为上覆7 号煤层开采后形成的低洼积水区。

4 探测结果分析

结合探测异常区的位置，在8101 工作面上顺槽通尺350、370 和390 m 处向下顺槽方向施工了3 个探查钻孔，进行富水异常区钻探验证。通尺350 m 处的1 号钻孔倾角为+50°，孔深为34.2 m，成孔时水量为3.6 m3/h；通尺370 m 处的探2 号钻孔倾角为+50°，孔深为33.8 m，成孔时水量为2.3 m3/h；通尺390 m 处的探3 号钻孔倾角为+50°，孔深为34 m，成孔时水量为3.3 m3/h，成孔时的总水量为9.2 m3/h，证明此次探测结果准确可靠。

后经过3 个探查钻孔11 d 的疏放，最终涌水量之和减小到0.8 m3/h，封孔后实现了8101 工作面的安全开采，证明8101 工作面顶板并行电法探查结果准确可靠。

5 结语

通过对东峰矿8101 工作面地质和水文地质条件分析，认为上覆的7 号煤层采空区低洼处积水是威胁8101 工作面安全生产的主要因素。通过实施并行电法勘探，推断靠近右侧上巷的“Y”字型区域为一低阻异常区。而后在8101 工作面上顺槽通尺350、370 和390 m 处向下顺槽方向施工了3 个探查钻孔，成孔时的钻孔总涌水量为9.2 m3/h，经过11 d 的疏放，最终涌水量之和减小到0.8 m3/h，封孔后实现了8101 工作面的安全开采，钻探验证表明了8101 工作面顶板并行电法探查结果准确可靠，为其它工作面探查顶板富水异常区提供了经验借鉴。