東峰礦8101 工作面并行電法探測頂板富水區技術研究

郭斌

（忻州市應急管理局，山西忻州 034000）

1 概況

我國煤炭資源豐富，許多煤田中存在多層可采煤層，儲量十分豐富，然而多煤層賦存的煤田中建設的礦井，上部煤層開采后采空區中的積水常常是威脅下部煤層開采的主要水源之一。為了消除上覆采空區積水對下部煤層開采的影響，國內外眾多專家和學者從不同角度出發研究了頂板采空區積水的防治方法，取得了豐碩的成果，指導了礦井的安全生產。本文以東峰礦8101 工作面為例，采用并行電法探查了煤層頂板和采空區的富水性，為8101工作面的安全生產提供了依據。

2 工程情況

東峰礦位于山西省太原市西部的萬柏林區王封鄉冀家溝村，主要開采2～9 號煤層。8101 工作面位于礦井一采區北部，工作面東部為井田邊界，南部為8102 綜采工作面采空區，西部為上山輔助運輸巷、上山輔助回風巷，東部為采區邊界，對應地面位置位于東曲街道辦西嶺頭村委會隨老母村北部，礦區工業廣場東北部，地表呈第四系雜填土、基巖中山區地貌，地面多被植被和灌木覆蓋，溝谷和山梁相間分布，地形比較復雜。8101 工作面開采區域的中部為地勢最高點，標高為+1375.6 m，開采區域的東部為勢最低點，標高為+1185 m。8101 工作面主要開采8 號煤層，煤層厚度為2.7～3.3 m，平均為3.1 m，局部含2 層夾矸，矸石總厚度為0.02～0.1 m，煤層傾角為2°～6°，平均為4°。8101 工作面設計長度為466 m，可采長度為450 m，設計寬度150 m，煤層頂板標高+1066.6—+1097.1 m，煤層埋深為103.5～297.1 m，煤層頂底板巖層發育情況如圖1 所示。

圖1 8101 工作面煤層頂、底板巖層綜合柱狀示意Fig.1 The comprehensive columnar diagram of coal seam roof and floor strata in No.8101 Face

8101 工作面煤層上距L1石灰巖含水層平均距離3.0 m，L1石灰巖含水層平均厚度為2.3 m，富水性較弱，水質類型為SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型；煤層上距K2石灰巖含水層平均距離為10.85 m，K2石灰巖含水層厚度為6.38 m，富水性較弱，水質類型為SO42-·HCO3--Ca2+·Na+型。根據前期地面鉆探情況分析，L1薄層石灰巖含水層單位涌水量小于0.05 L/s·m，充水強度較弱，對工作面回采影響較小，但工作面上覆存在7 號煤層的采空區，7 號煤層距離8 號煤層的平均距離為24.37 m，位于8 號煤層開采后形成的導水裂隙帶范圍內，由于上覆7 號煤層采空區煤層底板高程未收集，無法判斷7 號煤層采空區中可能積水區域的位置，探放位置不準、疏放不干凈的情況下對8 號煤層的安全開采造成嚴重的威脅，因此需要對8101 工作面頂板富水區域進行探查，確保工作面安全生產。

3 并行電法探測技術研究

目前針對礦井頂板富水性探測的技術手段較多，其中應用比較廣泛的主要包括瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、直流電法和并行電法等。瞬變電磁法受井下施工現場的錨網、錨桿等金屬支護材料影響嚴重，探測結果準確性較差；可控源音頻大地電磁法由于儀器設備價格較高，需要較大的資金投入，目前應用較少，并且由于不同的礦井地質條件存在較大差異，不同地質條件下煤巖層電阻率差異較大，造成可控源音頻大地電磁法數據的解釋較為復雜，不僅需要經驗豐富的專業人士進行解釋，而且工作量較大；直流電法探測準確性較高，但目前仍存在頂板電極耦合困難、探測深度較小等問題，而并行電法能夠很好的解決該問題，因此，此次東峰礦8101 工作面采用并行電法探測煤層頂板的富水性和采空區的充水性。

3.1 技術原理

煤炭為典型的沉積礦產，煤系地層通常具有清晰的沉積層序，因此在正常的條件下，煤巖層有較為固定的變化規律，為使用電法探查巖層的富水性提供了前提條件。并行電法是以直流電法為基礎，各電極通過網絡協議與主機保持實時聯系，能夠很好的規避電極耦合的問題，并且通過多電機的聯合探測，能夠有效增加探測深度，目前較為流行的主要包括AM 法和ABM 法兩種，如圖2 所示。

圖2 網絡并行電法采集電位圖Fig.2 Network parallel electrical acquisition potential

3.2 并行電法探測現場布置

為此次東峰礦8101 工作面探測過程中使用到的儀器設備：①安徽惠州地質安全研究院生產的YBD11-Z 型礦用網絡并行電法儀，如圖3 所示；②電極48 對（96 個）；③采集基站5 臺；④采集大線6 根。施工前首先在巷道側幫上施工安裝電極的鉆孔，孔間距為10 m，孔深為2 m，采用炮泥耦合的方式將電極與孔壁繼進行耦合，具體布置情況如圖4 所示。

圖3 并行電法探測儀器Fig.3 Parallel electrical exploration instrument

圖4 探測系統布置示意Fig.4 Exploration system layout

現場數據采集采用AM 法，選用0.1、0.2、0.5、1、2 s 恒流供電方波各采集數據一次，以校驗電阻率數據采集的可靠性。

3.3 數據處理

此次8101 工作面頂板并行電法探測技術所有測站采用串聯的方式進行，根據現場編錄情況，對電流和電壓數據進行預處理，原始數據如圖5 和圖6 所示。

圖5 實測原始電流數據曲線Fig.5 The measured original current data curve

圖6 實測原始電壓數據曲線Fig.6 The measured original voltage data curve

數據處理采用AGI-Earth Imager 3D 軟件進行，得到如圖7 所示結果，根據相鄰工作面地面勘探鉆孔ZB-12 的測井曲線可知，第四系松散地層平均視電阻率值為25 Ω·m 左右；8 號煤層頂板的石灰巖表現為相對高阻，平均視電阻率值為200 Ω·m左右，頂板砂巖電阻率平均為29 Ω·m 左右，其它巖層的視電阻率平均值亦為25 Ω·m 左右。

圖7 8101 工作面煤層頂板不同位置視電阻率分布圖Fig.7 The distribution of apparent resistivity at different positions of coal seam roof in No.8101 Face

從圖7 中可以看出，8101 工作面頂板左邊區域主要表現為相對高阻，右邊區域主要表現為相對低阻。通過綜合分析初步推斷靠近右側上巷的“Y”字型區域為一低阻異常區，對應水平方向230～400 m，聯絡巷/切眼方向0～150m，在現場進行電法數據采集時發現該區域頂板有頂板淋水，可能為上覆7 號煤層開采后形成的低洼積水區。

4 探測結果分析

結合探測異常區的位置，在8101 工作面上順槽通尺350、370 和390 m 處向下順槽方向施工了3 個探查鉆孔，進行富水異常區鉆探驗證。通尺350 m 處的1 號鉆孔傾角為+50°，孔深為34.2 m，成孔時水量為3.6 m3/h；通尺370 m 處的探2 號鉆孔傾角為+50°，孔深為33.8 m，成孔時水量為2.3 m3/h；通尺390 m 處的探3 號鉆孔傾角為+50°，孔深為34 m，成孔時水量為3.3 m3/h，成孔時的總水量為9.2 m3/h，證明此次探測結果準確可靠。

后經過3 個探查鉆孔11 d 的疏放，最終涌水量之和減小到0.8 m3/h，封孔后實現了8101 工作面的安全開采，證明8101 工作面頂板并行電法探查結果準確可靠。

5 結語

通過對東峰礦8101 工作面地質和水文地質條件分析，認為上覆的7 號煤層采空區低洼處積水是威脅8101 工作面安全生產的主要因素。通過實施并行電法勘探，推斷靠近右側上巷的“Y”字型區域為一低阻異常區。而后在8101 工作面上順槽通尺350、370 和390 m 處向下順槽方向施工了3 個探查鉆孔，成孔時的鉆孔總涌水量為9.2 m3/h，經過11 d 的疏放，最終涌水量之和減小到0.8 m3/h，封孔后實現了8101 工作面的安全開采，鉆探驗證表明了8101 工作面頂板并行電法探查結果準確可靠，為其它工作面探查頂板富水異常區提供了經驗借鑒。