瞬变电磁技术在工作面顶板水害防治中的应用_刘晓宁.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 瞬变电磁技术在工作面顶板水害防治中的应用 刘晓宁 （山西煤矿安全培训中心， 山西 太原 030012） 摘要为研究瞬变电磁技术在井下工作面顶板老空水害防治方面的应用效果，以山西某矿 100101 工作面为研究背景， 通过详细的现场瞬变电磁探测， 对该工作面的顶板物探结果进行了 深入分析。 物探结果表明 100101 工作面回风巷探测发现 5 处异常区， 100101 进风巷探测发现 4 处异常区， 其中 2、 3、 5 号异常区的范围相对较大， 幅值中等； 工作面顶板上 35、 70、 105 m 处的切 片图也基本反应了顶板上方岩层低阻异常分布趋势。综合分析认为 2、 3、 5 号异常区为本工作面 顶板的主要富水异常区。经过现场钻探验证， 验证结果与探测结果具有较高的重合度， 应用效果 良好。 关键词 瞬变电磁； 井下物探； 低阻异常； 顶板采空区积水； 矿井水害防治 中图分类号 TD745.21文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0153-04 Application of Transient Electromagnetic （TEM）in Coal Mine Roof Water Hazard Prevention and Treatment LIU Xiaoning （Shanxi Coal Mine Safety Training Center, Taiyuan 030012, China） Abstract To investigate the application of TEM in underground coal mine goaf water hazard prevention and treatment from roof, the relative geophysical prospecting of 100101 coal face in Shanxi Province, which is a mine selected as practical research background, were deeply analyzed by detailed field detention of TEM. The survey reveals nine anomaly areas in 100101 working face, five was found in return airways and four in intake entry. Among the anomaly areas, number 2, 3 and 5 are relatively large with moderate amplitude. Section diagram of 35 m,70 m and 105 m on the working face roof also basically reflects the abnormal low resistance distribution trend of strata above the roof. According to the comprehensive analysis, the 2, 3 and 5 abnormal areas are the main water-rich abnormal areas of the roof of the working face. Through the field drilling verification, the verification results and the detection results have a high coincidence degree, the application effect is good. Key words transient electromagnetic （TEM） ; underground geophysical prospecting; low resistivity abnormal zone; goaf water of roof; coal mine water hazard prevention and treatment 近年来， 随着开采深度的增加， 深部工作面受到 上部老空区积水的威胁越来越大，矿井水害尤其是 顶板老空水害日益成为影响和制约煤矿安全生产的 重大灾害。据统计， 山西省 2010 年以来的煤矿重大 事故均为老空透水事故。 尤其是资源整合以来， 90 以上水害事故透水水源为老空区积水，历史遗留的 小窑破坏、越层越界、资料缺失或造假等问题进一 步导致老空区的位置和范围难以确定，使得老空区 积水的探查成为矿井水害防治工作中的重点和难 点。实践表明，瞬变电磁技术是一种有效的确定老 空区的方法[1-3]。山西某矿为重组整合煤矿， 由于重 组整合前的部分矿区开采范围不详，且时间久远， 对井田开采情况的调查发现相关资料记载与实际情 况出入较多，采空区积水情况较为复杂，久远的老 空区积水变化情况更是调查难度较大。因此，采用 瞬变电磁技术，对工作面的顶板进行探测，以在回 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.034 刘晓宁.瞬变电磁技术在工作面顶板水害防治中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 153- 156. LIU Xiaoning. Application of Transient Electromagnetic （TEM） in Coal Mine Roof Water Hazard Prevention and Treatment［J］ .Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 153-156.移动扫码阅读 153 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 采前了解顶板含 （积） 水情况， 为安全回采提供参考 依据[2]。 1工程概况 1.1井田概况 该矿井田位于河东煤田， 地表大部为黄土， 属鄂 尔多斯盆地东部。由于受各时期构造运动影响， 形 态比较复杂，而东翼以北东向的新华夏系构造为 主。上组煤 3、 4、 5 号煤层充水含水层为山西组砂岩 裂隙含水层， 下组煤 6、 10 号煤层充水含水层为太原 组灰岩岩溶裂隙含水层， 富水性弱， 补给条件差。10 号煤层赋存于太原组下部，上距 6 号煤层平均 44.10 m。煤层厚度 6.30～8.20 m， 平均 6.98 m， 为稳 定的全区可采煤层。煤层结构复杂， 一般含 2～3 层 夹矸， 局部含 4 层夹矸。 煤层顶板大部为石灰岩， 局 部为泥岩。 底板大部为泥岩， 局部为砂质泥岩。 主要 为采空区渗水、井筒渗水及顶板裂隙水。奥灰水对 煤层开采影响不大，但井田内老空区分布多处积 水， 对煤层开采存在潜在危险。 1.2试验工作面概况 100101 工作面为 10 煤首采面，走向长 1 025 m， 面宽 150 m。煤厚约 7 m， 属厚煤层。顶板为太灰 岩， 厚约 12 m， 底板为泥岩。 100101 回风巷和运输巷 沿煤层托顶煤掘进， 煤层倾角 4～5； 无其它地质构 造影响， 煤层较稳定。 工作面顶板上存在 4 号、 5 号煤的采空区， 切眼 北向 80 m 左右存在相邻小煤矿的 10 号煤采空区， 积水情况不详。根据煤层导水断裂带最大高度计算 公式[4-5]， 100101 工作面导水断裂带波及范围为 53～ 65 m， 因此有必要对顶板进行物探和钻探以保证安 全回采[6]。 2现场试验 设计本次井下物探采用矿井瞬变电磁探测技 术。与地面不同的是，矿井下巷瞬变电磁场的分布 有全空间的特点[7]。煤层一般为高阻介质， 接收的信 号是发射线圈周围全空间电性的综合。本区地层沉 积清晰，当存在导电性良好的含水构造时，其电性 将与围岩产生较大差异，打破地层原有的电性分布 规律， 从而实现探测目的[8-9]。 2.1仪器设备和点位布置 探测设备为 YCS2000 矿用瞬变电磁仪。该仪器 是为本质安全型号，为煤矿井下危险条件专用的电 磁勘探仪。 探测施工前对 100101 工作面进行标点、定位， 分别从运输巷、回风巷的开口位置开始到切眼为 止， 起始点标记为 0 号， 每 10 m 1 个编号， 回风巷从 0～100 号， 运输巷从 0～100 号， 切眼从运输巷开始标 定， 每 10 m 1 个编号， 共标定 16 个点， 因此共布置 216 个测量点。在施工布置中严格按照测量点对施 工点进行标定，施工布置点与巷道测量点对应关系 见表 1。 2.2质量检查 为保证原始资料质量， 施工严格按照 “煤田电法 勘探规范”进行。本次物探工程在测量过程中对多 个测点进行了检查测量， 符合 “规范” 要求。 资料质量以检查点相对均方误差值来评估。其 公式表示为 M n i 1 ∑ ρi-ρi′ （ρiρi′） /2 （） 2 / （2n） ■ （1 ） 式中 M 为资料质量相对均方差； n 为检测点个 数；ρi为第 i 个点的原测值；ρi′为第 i 个点的检测 值。 按式 （1） 计算得到均方差为3.59， 符合规范 要求不超过5的质量标准。本次采集的原始资料 数据稳定， 质量比较可靠。 3结果分析及验证 将实测资料进行处理后形成图件[10-11]， 据此分 析如下。 3.1电阻率低阻异常断面分析 视电阻率低阻异常断面图如图 1 。其中蓝绿色 为低阻含富水区， 空白为弱含水区， 其它为过渡区。 1） 回风巷。 从图 1 中可以看出， 回风巷主要存在 3 处较为明显的异常区， 分别编为 1、 2、 3 号。 根据施 工布置测点的位置描述异常发育的巷道水平位置 1 号异常发育在物探测点 0～12 号之间， 范围较大， 幅 值相对较强； 2 号异常发育在 37～70 号物探测点之 测量点100101 运输巷测量点100101 回风巷 313 号点10 号点 637 号点311 号点向西 4.0 m 747 号点1168 号点向东 4.1 m 1284 号点1274 号点向东 2.7 m 表 1施工布置点与巷道测量点对应表 Table 1Correspondence between construction positions and roadway measuring points 154 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 间， 范围较大， 幅值较强； 3 号异常发育在 80～85 号 测点之间， 范围较小， 幅值相对较强。结合已知的巷 道地质情况分析， 1 号异常垂向上主要发育在顶板 中上段， 局部在 0～100 m 范围均有分布， 在本异常 区 5 号煤已回采，推测该异常受顶板 5 号煤回采影 响， 顶板相对较为破碎并富水所致； 2 号异常亦主要 发育在顶板上 50～100 m 层段， 结合实际情况分析， 异常附近有 4 号煤采空区出现，推测该异常受 4 号 煤采空区影响， 4 号煤附近层段相对破碎并富水所 致； 3 号异常在垂向上主要分布在顶板中下段， 范围 较小， 异常幅值相对较强， 结合实际情况分析， 该区 段在巷道掘进时曾有顶板淋水现象出现，推测为顶 板上岩层裂隙相对发育， 富水性较强。 2） 进风巷。从图 1 中可以发现主要存在 4 处较 为明显的异常区，根据编号顺序依次编为 4、 5、 6、 7 号。根据施工布置图中测点的位置描述异常发育的 巷道水平位置。 4 号主要发育在测点 70～82 号之间， 范围较小，幅值较弱； 5 号主要发育在测点 135～180 号之间， 异常范围较强， 幅值较强； 6 号主要发育在 测点 195～220 号之间， 范围中等， 幅值中等； 7 号异 常主要发育在测点 250～290 号之间， 异常范围较大， 幅值较强。 结合已知的巷道地质情况分析， 4 号主要 发育在顶板上段，异常幅值较弱，异常附近存在褶 曲构造，推测为受到构造影响，岩层裂隙相对发育 且富水所引起； 5 号在垂向的 0～100 m 内分布， 附近 进风巷掘进时揭露小断层，推测为顶板上岩层裂隙 相对发育，导致富水性较强，不排除导通直罗组砂 岩含水层的可能性； 6 号在垂向上亦分布在 0～100 m 范围内，推测顶板上岩层裂隙相对发育富水所 致；7 号垂向上 0～100 m 分布， 幅值较强， 且附近揭 露小断层，巷道顶板较为破碎，推测为顶板上岩层 裂隙较为发育， 直罗组砂岩层富水性较强所致。 3.2视电阻率低阻异常切片分析 为更直观地了解低阻异常区在工作面顶板上的 分布形态， 对 100101 工作面顶板切出 35、 70、 105 m 等不同深度的低阻异常切片图 （图 2 ） 。其中蓝绿色 为低阻含富水区， 空白为弱含水区， 其它为过渡区。 切片的异常编号依据断面图的异常编号顺序，在不 同层位的切片图中可以较明显看到 5 处异常区的分 布特征。 根据工作面内的钻孔， 10 号煤顶板上 35 m 和 70 m 的主要岩性为泥岩、 细砂岩和粉砂岩， 顶板上 105 m 为中粗砂岩、 泥岩。 1 号异常主要表现在顶板上 105 m 的层位中， 在 35 m 和 70 m 层位中表现不明显， 异常主要发育 在回风巷附近， 根据 1 号异常发育的层位， 推测该异 常主要为砂岩富水性较强所致； 2 号异常主要表现 在 70、 105 m 的层位中，在 35 m 的层位表现不明 显， 整体成片状分布在工作面内， 范围中等， 幅值较 弱，附近存在着褶曲构造，会导致岩层裂隙相对发 育，推测 2 号异常为顶板中上段层位裂隙相对发育 所致； 3 号异常在 35、 70、 105 m 的层位中均有发育， 在 35 m 层位中异常范围较大， 幅值中等， 主要分布 在进风巷附近，即在进风巷的揭露的断层附近， 在 70 m 和 105 m 的层位， 异常范围中等， 幅值中等， 推 测为顶板裂隙在各层位均较为发育，富水性较强所 致； 4 号异常主要发育顶板上 35 m 的层位中，范围 中等， 幅值中等， 在 70 m 和 105 m 的层位与 3 号基 本联通， 推测顶板上岩层裂隙相对发育富水； 5 号异 常在顶板上的 3 个层位均有发育， 35 m 层位范围中 等， 幅值中等， 主要集中在进风巷附近， 70 m 和 105 m 层位范围中等， 幅值较强， 成片状分布在工作面内 部，推测为顶板上岩层裂隙较为发育，砂岩富水性 较强所引起。 图 1视电阻率低阻异常断面图 Fig.1Low-resistant anomalous sectional drawing of apparent resistivity 图 2工作面顶板上视电阻率异常切片图 Fig.2Apparent resistivity anomalous section diagram on face roof 155 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 综合分析认为 2、 3、 5 号异常为本工作面顶板岩 层富水性的主要异常区，建议将此 3 处异常区作为 防治水的重点区域，在工作面回采前布设一定的钻 孔，进一步查明异常带的性质，以便采取有针对性 的措施[4]。回采过程中注意工作面水情监测、 水文长 观孔的水位变化观测、并及时进行分析，采取切实 可行措施， 确保生产安全。 3.3验证结果 该矿在探测后对物探异常区进行了钻探验证。 首先对 5 号异常区进行钻探验证时，迎头位置顶板 淋水， 钻孔涌水量达到 10.63 m3/h。在采取相关措施 后顶板淋水逐渐减小，直至淋水消失。进行其他 4 次钻探验证后，验证结果与探测结果具有较高的重 合度， 异常区钻孔验证情况见表 2。 4结语 本次物探工作完成了 100101 工作面 2 条巷道 各 2 900 m 的顶板探测，探查了工作面顶板上 105 m 高度范围内含水地质构造的分布特征、上下连通 情况及富水性平面分布规律。回风巷探测的区段范 围内主要发现了 5 处异常区，进风巷主要发现了 4 处异常区，其中 2、 3、 5 号异常区的范围相对较大， 幅值中等。工作面顶板上 35、 70、 105 m 处的切片图 也基本上反应了顶板上方岩层低阻异常分布趋势。 综合分析认为 2、 3、 5 号异常为本工作面顶板岩层 富水性的主要异常区，建议将此 3 处异常区作为防 治水的重点区域。经过现场钻探验证，验证结果与 探测结果具有较高的重合度，应用效果良好，为工 作面的安全回采提供了科学依据。 参考文献 ［1］ 蒋邦远.瞬变电磁勘探 ［M］ .北京 地质出版社， 1998. ［2］ 刘树才， 岳建华， 刘志新.煤矿水文物探技术与应用 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2006. ［3］ 张保祥， 刘春华.瞬变电磁法在地下水勘查中的应用 综述 ［J］ .地球物理学进展， 2004， 19 （3） 537-542. ［4］ 虎维岳.矿山水害防治理论与方法 ［M］ .北京 煤炭工 业出版社， 2005 18-19. ［5］ 赵兵朝， 刘樟荣， 同超， 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