冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究

胡颖栋,萧文浩

(1.山西潞安矿业(集团)有限责任公司 古城煤矿,山西 长治 046000;2.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116)

近年来,由于经济发展需要,煤炭资源需求量居高不下,导致开采条件日益复杂,尤其是深部矿区的矿井水害问题时有发生,严重威胁开采安全。煤矿水害方面的研究内容主要集中在矿井水文地质条件探查、矿井突水危险性理论计算与综合评价、矿井水害预防与治理技术等方面[1-5]。低阻特征的含水体对地电场响应敏感,因而可采用矿井直流电法[6-7]、并行电法[8-9]、瞬变电磁法[10-11]等查明矿井水害问题。我国在20世纪60年代就已经开展过矿井直流电法的研究,随后逐步发展成高密度电法技术,集电测深法、电剖面法于一体,提升了采集效率。在不断的应用、研究过程中,21世纪出现的网络并行电法技术[12],以阵列式和多电场并行高效采集优势得到广泛应用[13]。并行电法技术突破了装置的概念,自动对测线中所有电极进行排列组合,结果包含所有装置形式;采集时间呈电极数量的平方倍缩短,测线电极数越多时优势越明显,为精细化探测奠定了基础。随着网络技术的引入,地电场勘探逐步走向4D化监测预警体系。本文结合数值模拟及某矿16041工作面顶板水害探测实测数据,采用网络并行电法三维采集技术,获取顶板局部富水的响应特征,并提出相应的水害防治措施,为该类特殊地质条件下的煤层开采提供指导。

1 地质概况

某矿16041工作面位于矿井北翼,所属盘区为西六盘区。16041上巷道、下巷道、切眼和联络巷的长度分别为1 121.42 m、1 121.42 m、109.80 m和109.80 m.其采掘工程平面图如图1所示。工作面内开采煤层为二1煤层,顶板标高为-419.9～-467.6 m,对应地面位置标高为+85.4～+86.4 m,煤层位于山西组底部,赋存稳定,厚度为5.8～6.5 m,平均为6.21 m,煤层结构简单。煤体主要为原生结构煤,断层附近存在少量的碎粒结构煤。煤层倾角1°～6°,平均倾角为4°.16041工作面二1煤层顶板基岩厚度为36.4～59.3 m,煤层、岩层厚度及接触关系如图2所示。

图1 16041工作面采掘工程平面图

图2 16041工作面地层综合柱状图

结合16041工作面综合柱状图及水文地质资料,二1煤层顶板之上的含水层主要包括:第四系含水层,新近系中部砂砾石含水层,基岩风化带含水层和二1煤层顶板砂岩含水层。该工作面第四系和新近系的松散地层厚度为465.3～497.8 m,平均481.55 m.

2 顶板富水性数值模拟

2.1 参数设计

根据16041工作面内或附近地质钻孔柱状图、测井资料设置顶板岩层地电模型各项参数。煤层厚度为6 m,电阻率设置为360 Ω·m;顶板第1层覆盖砂质泥岩,厚度15 m,电阻率设置为70 Ω·m;第2层覆盖细粒砂岩,厚度5 m,电阻率设置为180 Ω·m;第3层为砂泥岩互层,厚度25 m,电阻率设置为40 Ω·m;第4层为砂质粘土层,厚度40 m,电阻率设置为20 Ω·m;第5层为砂泥岩互层,厚度15 m,电阻率设置为30 Ω·m.

施工时沿16041工作面内帮布置测线,其内帮长为1 113.9 m,宽为104.6 m.为保证数值模拟结果的准确性,需要考虑“O”型测线范围外的地层影响。因此在地电模型设置中,模型的尺寸设置为测线长、宽、高的2～3倍。即模型长度设置为3 000 m,宽度设置为300 m,顶板岩层总厚度设置为100 m.并行电法三维观测系统布置在巷道煤层顶板处,呈“O”型布置,测线电极共248个,电极间距10 m,测线总长2 470 m,顶板三维观测系统如图3所示。相较于双巷透视,多巷透视数据量更丰富,探测结果更准确[14]。并行电法可在一点激发时多点并行测量,形成“O”型观测系统,可同步实现双巷透视、多巷透视,进一步提升结果的准确性,提升采集效率。数值模拟观测系统如图3所示。

图3 数值模拟观测系统示意图

2.2 数值模拟结果分析

煤层顶板之上主要有煤层顶板砂岩含水层、顶板风氧化带含水层、第4系底砾含水层,为本次16041工作面顶板含水性数值模拟的主要目标层位,其数值模拟反演结果如图4所示。其中图4(a)、(b)、(c)分别为距离顶板不同高度的切片反演数据。

图4 主要含水体组合数值模拟结果

数值模拟结果表明,高阻区域和低阻区域影响位置与预设模型吻合,图4(a)、图4(b)上均有含水体低阻异常的反映。图4(b)和图4(c)设置电阻率值与含水体设定电阻率值相差不大,但仍能够从一定程度上判别含水体位置,因此可根据数值模拟中的低阻异常区域位置确定煤层顶板富水区。含水体与围岩电阻率差值越大,在三维电阻率反演切片结果中煤层顶板富水区位置圈定越准确,该差值直接影响着并行电法的解释精度。不同类型含水区域的空间组合地电场分布特征,可为现场数据分析解释提供理论基础。

3 工程应用

3.1 观测系统布置及数据采集

试验位置位于某矿16041工作面,沿16031上巷道、16041切眼、16041上巷道、16041工作面联络巷布置“O”型观测系统,如图5所示。起点位于16031上巷道与16041工作面联络巷交接处。因现场地质条件复杂,为保证数据精度,现场测试时采用的电极间距为8 m,较数值模拟时的10 m电极精度更高。按逆时针方向共布置304对(608个)双模电极,电极采用炮泥耦合。整套探测系统的测线总长度2 424 m,完全覆盖16041工作面所在区域,可以一次性采集全空间电场电位值,保持了电位测量的同步性,解决了不同时间测量数据的干扰问题,达到了全空间三维探测的目的。本次实测中,选用安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司研发的YBD11并行高密度电法仪,可实现一次采集多电极同步接收,有效缩短了现场数据的采集时间。数据采集完毕后,输入观测系统并对所测数据进行三维数据反演,观测系统位置及反演数据体如图5所示。该数据体具有较大的平面范围,适合工作面全空间三维电阻率成像,采用并行电法仪观测不同标高的电位变化情况,通过三维电法反演得出工作面内及其顶板不同高度的电阻率分布情况。

图5 16041工作面观测系统及反演数据体

3.2 探测结果分析

综合分析本次探测结果,得到此次16041工作面顶板三维并行电法探测数据电阻率整体规律为:靠近煤层顶板区域岩层电阻率表现为相对高阻区,其平均电阻率阻值高于60 Ω·m;远离煤层顶板区域岩层电阻率表现为相对低阻区,其平均电阻率阻值低于10 Ω·m.推断认为,上述高、低阻特征是由围岩整体电阻率值高于松散粘土层的电阻率值造成的。此外,对于二1煤层顶板不同高度的电阻率切片(如图6所示),靠近电阻率切片的右侧区域表征为相对低阻异常区(见图6中异常1),且随着高度的增加,该低阻闭合区域的面积呈现先减小而后逐渐增大的趋势。该低阻区域靠近断层,该区域电阻率特性受到断层富水影响,表现为低阻特征。此外,在16041工作面顶板上部40 m电阻率切片,靠近电阻率切片的左侧区域(对应电法测线1 000 ～ 910 m位置)表征为相对低阻区,疑似为异常区域(见图6中异常2),该区域对应16041工作面局部含水构造影响的区域。煤层顶板上方52 m位置切片中出现大片低阻,推断为是受上方低阻松散粘土层影响所致。由于该层厚度大于其余岩层,且该位置逐渐远离顶板上覆高阻围岩,因此主要呈第四系厚松散层的低阻特征。

图6 煤层顶板不同高度电阻率切片

3.3 水害防治措施分析

基于并行电法的顶板水害探测结果,结合水文地质分析可知,此工作面顶板富水性整体不强,冲积层底部隔水层较为稳定,厚度符合开采要求,局部富水性大概率为砂岩裂隙水,与第四系未有明显的连通。因此,在此工作面开采前,可进一步采用钻探方式对局部异常区进行探测与疏放,回采过程做好顶板涌水量的观察与统计,保障煤层开采安全。

4 结 语

1) 厚冲积层煤层顶板数值模拟结果显示,不同类型含水体在电阻率三维数据体切片图上有明显的电阻率异常反映。通过对不同深度切片图的分析,不仅可以确定含水异常体的大致深度,还能反映含水体的规模。16041工作面现场实测数据表明,实测结果与数值模拟吻合度高,实际测量所确定的两处低阻异常区在数值模拟中亦有体现,两者的相互印证可有效确定顶板的富水性、规模及位置,为后续工作面安全生产提供指导。

2) 文章研究表明,采用并行电法技术对顶板水害进行精细探测,并基于探测结果结合水文地质信息,可针对性地提出水害防治措施,对异常区域进行打钻验证以进一步确定其实际地质状态,加强水量观测与顶板管理工作,及时排除安全隐患,完善相应的预测预警体系,进一步保障冲积层下煤层开采安全。