南瑩浩，徐旭東

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

大陽煤礦陷落柱區(qū)域富水性探測研究

南瑩浩，徐旭東

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

陷落柱區(qū)域富水性的探測研究對預(yù)防礦井水害有重要意義。根據(jù)大陽煤礦井田鉆探資料、地質(zhì)信息等，對煤礦的充水因素進行分析，采用地面瞬變電磁法和井下探測相結(jié)合的探查技術(shù)對其采區(qū)內(nèi)XT1陷落柱的富水性進行了探查研究，并提出相應(yīng)的防治水對策建議。在測區(qū)內(nèi)通過在距3#煤頂30 m，3#煤，3#煤底30 m，9#煤，15#煤，15#煤底30 m的不同層位做了六張視電阻率水平切片，對不同水平截面瞬變電磁切片分析，推測測區(qū)內(nèi)異常區(qū)情況。結(jié)果表明：XT1陷落柱為弱富水性，含水層位為3#煤層底30 m、9#煤層和15#煤層。

瞬變電磁法；陷落柱；弱富水性

0引言

我國多數(shù)煤礦井下水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中，容易受到多種水體的威脅。其中，陷落柱水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要影響因素，可能導(dǎo)致人員傷亡與財產(chǎn)損失，所以對陷落柱富水性的探測是預(yù)防礦井水害的有效措施，是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要工作。瞬變電磁技術(shù)是目前使用范圍最廣的電法勘探方法，被廣泛應(yīng)用于找水工作中。因此，運用瞬變電磁方法對陷落柱區(qū)域綜合探測，對陷落柱的富水性進行精細勘察。在大陽煤礦三采區(qū)內(nèi)，發(fā)育有XT1-XT5五個陷落柱，以XT1陷落柱為研究對象，對陷落柱的富水性進行探測研究[1-4]。

1 瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁法又稱時間域電磁法(簡稱TEM)，它運用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法[5]?，F(xiàn)在瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，擁有相對成熟的理論，勘探深度大，工作效率高，對低阻體效果明顯，在找水工作中被廣泛應(yīng)用。

1.1 地面瞬變電磁原理

地面瞬變電磁法的原理是利用電磁感應(yīng)定律。其工作方法是：在空中或地面放置通以一定電流的發(fā)射線圈，在線圈周圍的空間產(chǎn)生一次電磁場，同時在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流：斷電后，感應(yīng)電流由于損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分成早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小;而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。經(jīng)過測量斷電后每個時間段內(nèi)二次場隨時間的變化規(guī)律，從而得到不同深度的地電特征，如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電流環(huán)帶分布圖

1.2 礦井瞬變電磁原理

礦井瞬變電磁法和地面瞬變電磁法的原理基本相同，理論上可以使用地面電磁法的一切裝置采集數(shù)據(jù)參數(shù)，但因受到井下環(huán)境影響，礦井瞬變電磁與地面TEM的數(shù)據(jù)采集與處理又有著很大的差別。因為高壓環(huán)境、礦井軌道及小線框的影響，在井下的探測深度受到限制，一般有效的解釋范圍在120 m左右。其次，地面瞬變電磁法為半空間響應(yīng)，這種響應(yīng)來自于地表以下空間，而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應(yīng)，

這種響應(yīng)來自回線平面上下地層，這對確定異常體位置帶來很大干擾[6-7]。

2 礦井充水因素分析

2.1 充水水源

(1) 大氣降水對礦井充水的影響

井田東部各煤層埋藏相對較淺，所以大氣降水是礦坑水的主要來源，大氣降水通過松散沉積物孔隙、基巖裂隙滲入井下，通過采空區(qū)地表塌陷、裂縫直接進入井下或是基巖裂隙相互溝通的情況下進入采掘工作面。由于降水量隨季節(jié)變化，礦井涌水量呈現(xiàn)出明顯的動態(tài)變化特征，一般雨后5～10天，礦井涌水量即顯著增加。

(2) 地表水對礦井充水的影響

井田內(nèi)的地表水體主要是萬里水庫及長河。受季節(jié)影響，夏季水庫水量和河流流量較大。這些地表水體通過巖層裂隙和采煤引起的地表塌陷、裂縫補給煤層上部的含水層，將對井田基巖地下水及礦坑水產(chǎn)生一定的補給。將來開采至其附近時，需采取有效應(yīng)對措施，防止雨季地表水通過采空區(qū)地表塌陷、裂縫涌入井下，造成水災(zāi)事故。

(3) 周邊礦井對井田煤層開采的影響

井田內(nèi)無小煤礦。井田外周邊礦井有：北鄰山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，北部及東北部鄰山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司，東鄰煤炭運銷集團中岳煤業(yè)有限公司，東南與天安宏祥煤業(yè)有限公司相鄰，西南鄰天地王坡煤業(yè)有限公司，井田西部無礦。井田周邊部分小煤礦有一定量采空區(qū)積水，在今后生產(chǎn)過程中，開采至已關(guān)閉的礦井附近時，須加強探放水工作，并按設(shè)計留足防水煤柱，防止其礦界附近采空區(qū)積水進入巷道，對礦井造成影響，形成惡性事故。

(4) 井田內(nèi)采空區(qū)積水對礦井充水的影響

采空區(qū)積水的來源有兩方面：一方面是采空區(qū)上覆含水層水，沿采動裂隙流入井下；另一方面是生產(chǎn)過程中的人工補給水，在生產(chǎn)過程中由于管理不善，生產(chǎn)供水常常流入采空區(qū)低洼的部位，形成采空區(qū)積水。井田發(fā)育多條褶曲構(gòu)造，采空區(qū)積水多處積聚。

2.2 礦井充水通道

礦井充水通道主要為煤層頂板以上巖石的裂隙、陷落柱、斷層及開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶，其它因素居次。井田發(fā)育的斷裂構(gòu)造，除F1、F2以外，都屬于小型斷層，且多為層間斷層，溝通上下各含水層的作用很小。其中F4為逆掩斷層，不導(dǎo)水；F1、F2斷層為張性落差較大的正斷層，具導(dǎo)水性。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件及陷落柱發(fā)育特征

3.1 井田含水層

對井田內(nèi)含水層，自老至新敘述如下：

(1) 奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組

為井田內(nèi)最主要的含水巖層，單位涌水量為3.61 L/s·m，本含水層富水性強。

(2) 石炭系上統(tǒng)太原組含水層

太原組含水層主要由K2、K3、K4石灰?guī)r組成，其次為K1砂巖和K5、K6石灰?guī)r。單位涌水量0.00044～0.0001491 L/s·m，屬弱富水性的含水層。

(3) 二疊系下統(tǒng)山西組含水層

含水層主要為K7以及山西組上部的砂巖，單位涌水量為0.0042 L/s.m，屬弱富水性的砂巖裂隙含水層。

(4) 二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層

含水層以K8、K9以及K10以下的砂巖帶為主要含水層，單位涌水量0.0011 L/s·m，屬弱富水性的砂巖裂隙含水層。

(5) 二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層

含水層主要為上石盒子組中部砂巖K11、K12，巖性堅硬、裂隙發(fā)育，在其底部常有一層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖成為隔水層，富水性較好，多在0.05～0.22 L/s之間。

3.2 陷落柱發(fā)育特征

3.2.1 陷落柱發(fā)育高度

由于在勘探區(qū)內(nèi)缺少鉆探資料，無法直接的研究陷落柱的發(fā)育高度，所以本項工作通過分析地震波差異來推測陷落柱的發(fā)育高度；地震波形差異屬性分析成果表現(xiàn)為：在正常的煤系地層部位(即陷落柱邊界兩側(cè)正常沉積煤巖層)，表現(xiàn)為連續(xù)的波形相似層序；而在陷落柱發(fā)育邊界部位表現(xiàn)出差異、不連續(xù)的異常特征；利用該特征來分析推測陷落柱的發(fā)育高度。

圖2為抽取的一條典型地震時間剖面圖，在所圈定陷落柱位置地震波有明顯的不連續(xù)特征，利用其頂面反射波顯示，確定陷落柱高度；在本次勘探區(qū)范圍內(nèi)，三維地震所圈定陷落柱底部位于15#煤層下的奧陶系灰?guī)r層，發(fā)育高度均高于3#煤層。

圖2 地震波時間剖面圖

3.2.2 陷落柱分布規(guī)律及平面特征

通過對以往地質(zhì)、物探資料的搜集整理，確定大陽煤礦三采區(qū)陷落柱發(fā)育有如下特征：

(1) 陷落柱大部分分布在向背斜軸部附近；

(2) 陷落柱的長軸多數(shù)平行于向背斜軸；

(3) 陷落柱在平面圖上投影多呈橢圓形或近似橢圓形；

(4) 區(qū)內(nèi)陷落柱在平面圖上面積大小差異較大。

4 陷落柱富水性探測

4.1 切片深度截取

按照距3#煤頂30 m，3#煤，3#煤底30 m，9#煤，15#煤，15#煤底30 m的層位做了六張水平切片。各層位深度截取均是按照礦區(qū)井上下對照圖中煤層等高線標高求取。各層位深度值如表1所示：

表1 不同層位深度截取值

4.2 地面瞬變電磁測線布置

本次探查區(qū)域主要為位于井田西南部的三采區(qū)XT1陷落柱，標記為A測區(qū)。在測區(qū)內(nèi)布設(shè)30 m×20 m的測網(wǎng)，即每30 m為一條測線，每條測線每20 m為一測點。測線布置如圖3所示：

圖3 A測區(qū)示意圖

4.3 XT1陷落柱探查結(jié)果分析

(1) 取主要目的層水平截面瞬變電磁切片分析，根據(jù)處理所得不同深度成果圖，推測測區(qū)內(nèi)異常區(qū)情況如圖所示：

3#煤頂30 m視電阻率切片圖呈現(xiàn)高阻形態(tài)，陷落柱區(qū)域無低值異常反應(yīng)，由于上層泥巖隔水層存在，該層位基本不受K8砂巖含水層影響。

3#煤層視電阻率較3#煤頂30 m偏低，整體為中阻形態(tài)，在陷落柱區(qū)域無明顯的異常特征；該層上伏10 m左右泥巖，電阻率值符合測量結(jié)果，推測該層不富水。

圖5 A測區(qū)3#煤層視電阻率切片圖

圖6 A測區(qū)3#煤層底30 m視電阻率切片圖

3#煤層底30m視電阻率的整體形態(tài)特征與3#煤層相似，電阻率值變低，并在陷落柱中部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的低阻區(qū)，推測為該層位存在裂隙導(dǎo)通上層K5灰?guī)r含水層，在陷落柱區(qū)域富水形成低阻異常區(qū)。

圖7 A測區(qū)9#煤層視電阻率切片圖

9#煤層視電阻率切片圖中，在陷落柱中部區(qū)域有一低阻異常，位置與3#煤層底30 m的低阻區(qū)稍有偏離，推測為上層砂巖局部富水引起。

圖8 測區(qū)15#煤層視電阻率切片圖

15#煤層視電阻率切片圖中，視電阻率較9#煤層變大，低阻區(qū)位置向東北向偏移，在陷落柱為于低阻影響區(qū)，推測異常區(qū)是受K2灰?guī)r含水層影響引起。

15#煤層底30 m的視電阻率切片圖中電阻率整體呈現(xiàn)中高阻形態(tài)，陷落柱區(qū)域內(nèi)無低阻異常反應(yīng)，層位內(nèi)主要為石灰?guī)r，泥灰?guī)r，推測富水性較弱。

圖9 A測區(qū)15#煤底30 m層視電阻率切片圖

綜上分析，陷落柱范圍在不同水平標高的六個切片圖上整體呈現(xiàn)中高阻形態(tài)，在3#煤底30 m、9#煤低阻異常區(qū)集中在陷落柱的中部區(qū)域。

(2) 主要目的層水平截面低阻異常區(qū)垂向分析

圖10 A測區(qū)各水平截面切片立體圖

由A測區(qū)水平切片立體圖中可知低值區(qū)域主要集中在測區(qū)中部和東北部，在3#煤層底30 m至15#煤層三個層位上表現(xiàn)較為明顯，縱向?qū)ㄐ圆粡姡?#煤層底30 m低阻區(qū)推測為裂隙導(dǎo)通K5

灰?guī)r含水層影響引起，9#煤層低阻區(qū)推測為砂巖局部富水引起，15#煤層推測受K2灰?guī)r含水層影響引起[8-9]。

5 結(jié)論

(1)由以上所做的切片圖，剖面圖綜合分析，在3#煤層層位的主要充水層為K8砂巖含水層，但3#煤層的視電阻率切片圖中整體電阻率值成中高值，說明該含水層對3#煤層沒有影響，推測中間有泥巖隔水層使得該含水層與3#煤層沒有導(dǎo)通。

(2)在3#煤層底30 m、9#煤層和15#煤層陷落柱的中部和東北部區(qū)域有局部的低阻異常，推測主要是受K2、K5含水層影響引起。

(3)15#煤層底30 m主要巖性為石灰?guī)r和泥灰?guī)r，中高阻反應(yīng)，富水性差。綜合分析XT1陷落柱為弱富水性，可能的含水層位為3#煤層底30 m、9#煤層和15#煤層。

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ResearchonthewaterrichnessdetectioninthecollapsecolumnareaofDayangCoalMine

NAN Ying-hao,XU Xu-dong

(CollegeofSafetyEngineering,NorthChinaInslituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

The investigation of the water abundance in the subsided column area is of great importance to prevent mine water damage. According to the drilling data and geological information of Dayang Coal Mine, the water filling factors of coal mine is analyzed, the water-richness of collapse colume XT1 is explored in the mining area, using the combination of ground transient electromagnetic and underground detection, and the corresponding countermeasures and suggestions on the prevention and control of water is put forward. In the test area through the 3#from the top coal 30 m, 3#coal, 3#coal base 30 m, 9#coal, 15#coal, 15#coal 30 m in different layers of bottom made six resistivity horizontal slice, transient electromagnetic analysis of different sections of horizontal section that measured transient, abnormal region. The results show that the XT1 collapse column is weakly rich in water, the aquifer is 3#, the coal seam bottom is 30 m, 9#coal seam and 15#coal seam.

Transient electromagnetic method；Collapse column；Weak water-richness

2017-06-04

南瑩浩(1991 -)，男，山西長治人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事安全管理與礦井水害防治研究。E-mail:645384850@qq.com

TD745

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1672-7169(2017)04-0042-05