煤矿水害防治井下物探技术的选择与应用.pdf

煤矿水害防治井下物探技术的选择与应用韩博，魏晓，薛宇飞（陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西渭南7 1540 0）摘要：随着经济的快速发展，煤炭的需求量持续增加，浅煤层的储存量明显减少。在加大采矿深度后，面临水害事故，但矿井下水害防治难度大,严重威胁了治理人员的人身安全。本文重点讨论了煤矿的水害防治问题。关键词：煤矿水害；防治技术；井下物探技术中图分类号：F406.3;TD745在煤炭开采中，水害会影响安全。现代经济高速发展，能源需求量增加，如果煤炭开采的规划、设计不合理，会导致采空区积水，构造柱、陷落柱含水，严重影响煤炭的开采安全。在早期的煤炭开采中,规划不科学、规模不足,并且存在越界开采、私采滥挖的行为，提高了水害、地质灾害的发生率。为了减少灾害事故，要研究新的煤矿勘探技术、开采技术。1煤矿水害分析1.1采空区积水在煤矿的开采作业中，如果对井田周边的废弃矿井、老窑调查不到位,则很难发现岩层漏水问题。当防火灌浆效果不佳时，会使采空区、巷道出现积水，在受到开采干扰后，采空区的积水进人回采区，发生透水事故。1.2含水层突水在开采煤矿时，会扰动底板区、顶板区的含水层，致使顶板、底板的含水层出现涌水,增加了水害的发生率。在海洋、陆地交汇区，很容易出现含水层涌水，受到海洋潮水的影响，会覆盖煤层。当煤层结构的厚度不足时，涌水会进入缝隙内部，从而增加含水层的厚度。受到地质作用、沉积的影响后，形成新的含水层，挤压上部的岩石结构，使含水层的孔隙闭合，含水层处于平衡状态，如果进行采煤作业，则会打破含水层的平衡，导致煤层间产生涌水通道,引发水害1。1.3钻孔水问题在开采矿山之前，要深入进行实地普查和调研。矿山实行钻孔补勘作业，封孔不合理，会使地表水、地下水进人孔内，从而形成垂直的过水通道，引发水害。1.4地表水问题煤矿的地表水多源于水库、河流、降雨。开展地下开采，会导致地表出现裂隙、扩展，严重的会引发地表塌陷,为河流、水库、地表水提供导通通道。在煤炭的190文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)10-0 19 0-0 3生产作业中，若地表排水系统建造不到位，或者遇到强降雨天气，会使雨水进人巷道，引发水害。1.5断层水问题在开采煤矿时，会较大程度地受限于褶皱构造，出现倾斜煤层，改变煤层走向，还会出现断裂构造问题。矿井内分布大量断层，导致上部张裂发育，形成富水区,大大提高了出水、涌水概率，引发突水事故。1.6新近系与第四系水害新近系即砂砾系，同时分布砂层、泥层，且局部砂岩含水层的发育厚度大。煤层上覆基岩薄弱，开采后会形成导水裂隙带、跨落带,对含水层的影响明显。2煤矿水害的成因分析2.1 开采工艺落后其一，应用传统的开采工艺时，会留下大量的废弃老窑，老窑的积水量非常大，且地质资料、数据信息的缺失，使施工人员很难掌握实际情况，所以无法预防水害。其二，在开采作业中，常常无序操作，增加积水量，无法预控水害，加大了水害控制难度。2.2地下结构复杂在煤矿生产作业中,地下结构的复杂度高，且存在地下运移空间、存储空间,增加了水害发生概率。地下结构调研方案编制不完善,未掌握地下结构的特点，影响水害防治方案的实施效果。2.3管理模式不完善在煤矿生产中，高度重视经济效益，不太关注安全管控，缺乏安全管理计划、管理方案，未结合水害的特点与成因,采取科学的预防措施2 。其一,在生产前，不注重对水文地质资料、地下结构特点的分析，导致水害事故的预防措施不到位，很难科学地防治水害问题。其二，煤矿缺乏责任机制、管理制度，导致各部门的安全生产职责不明确，很难管控生产安全，无法防控水害。3煤矿水害防治技术的选择3.1矿井常用物探方法与分类在水害的防治勘查方法中，物探技术的应用非常多,按照不同岩层、矿石性质的物性差异，利用科学仪器检测、分析地质，获得煤层的地质结构,比如地下水的分布、含量等，有利于科学地设计防水害工程。常见的物探方法包括磁性法、重力法、地震法、电力法、放射法。按照不同的使用原理，划分为弹性波法、电力法。弹性波法主要应用反射波原理，勘测、分析地质，包括岩体声波、槽波；电力法利用雷达音频透视、无线电波、DC 法,检测和分析地质3 3.2选择超前物探法开挖巷道之前，应当做好超前探测工作，为巷道开挖提供地质信息。钻探法、物探法为常用的超前探测法。物探方法涉及直线探测法，可以探测积水、转弯区域。应用瞬变电磁法开展多角度的勘探,能够获取地质信息，实现巷道迎头、工作面顶板、底板的超前探测。同时，掌握富水层、突水通道、含水断层的异常构造，为道采掘提供水文地质信息。3.3综合物探方法在完成工作面圈出后，要使用综合物探方法，全面探测岩层、煤层。常用的物探技术包括坑透、音频电透视、瞬变电磁法。瞬变电磁法属于电磁感应技术，将脉冲场发送至地下，间歇期接收二次场，刺激地质形成涡流，产生非稳电磁场。按照二次场的衰变曲线，能够明确矿区的地质产量、电性。瞬间电磁法是一种二次场的测量法,因此和电法探测存在明显差异,能够清晰反映低阻地质，具备较高的分辨率，可以提升工作效率。其中，音频电透视、瞬变电磁法，重点探测工作面的含水量、异常情况。坑透技术，多用于勘查隐蔽地质情况。使用音频透视法，对工作面宽度的要求高。如果工作面狭小,则会影响探测结果的准确性，要使用底板电测法进行探测。在开采井下煤炭时，由于受到透视的限制,勘查技术的应用效果不佳。如果工作面较大，为保证透视效果，选择槽波地震法勘探隐藏的地质构造，该方法勘探范围大、精度高，具备较强的抗干扰能力4。3.4三维地震勘探法三维地震是一种大面积的采集法，可以明确地下情况,精准预测富水位置。三维地震勘探法,是在二维地震勘测法基础上发展而来的，由面积X、Y 方向、深度乙方向,形成三维空间。利用面积观测，可以确定地质三维数据。三维地震勘探法，能够探测更多的数据，保证准确的偏移归位。合理归位三维数据体空间，明确地震、地质的空间关系。通过三维地震勘探法，获取三维空间的数据体，通过平面、面、立体地质图，全面提升地震勘查准确度。3.5高密度电探测技术高密度电探测技术,是一种三级检测技术，能够检测瞬变电磁、工作面切割、迎面位置、网关等，在中、浅煤层勘探中的应用非常多。对比浅层地震勘探法、倾角雷达法可知，该技术应用成本低廉，能够推广到岩溶塌陷、水文地质、路基的勘探作业中。建立局部电极后，采用相同的方式观测数据。相比传统方法，可以自动采集数据，全面提升检测效率。3.6地球物理响应特征分析电性特点可知，矿区不同地层的电性分布规律如下：黏土岩类的电阻率最小；煤层的电阻率最高；砂层的电阻率处于黏土岩、煤层之间。煤层中的沉积序列比较清晰，在原始的形成条件下，垂直方向的电特性固定,水平分布均匀。当煤层结构内分布有断带、无水区时,会加大局部电阻率,影响结构的导电性。当结构内的水含量较多时，具备较高的导电性。通过上述分析可知，巷道发展的裂隙、断裂、陷落柱，不管是否存在水源,都会在垂直、水平状态下形成电性规律。应用地球物理响应特征法，可以为岩石电导率的检测提供地质条件54物探法的应用效果4.1瞬变电磁法的使用在煤矿水害治理中,瞬变电磁法的应用非常多。小窑采空区受到构造、积水的影响，电阻率小于围岩电阻，为勘探作业提供了物性条件。受到瞬变电磁法的影响，在进行小窑采空区的富水勘探时，可以减少煤矿的水害影响。第一,陷落柱探测。一般来说,煤矿陷落柱受到奥辉岩溶裂的影响，裂隙宽度持续增加，重力会影响周边地层,从而产生塌事故，加剧陷落柱填充物的复杂性，打乱地层的沉积层序，陷落柱、煤层接触区的电性、速度差异大。图1为某煤矿陷落柱的勘探断面图。实线为底板标高，点线为奥辉顶面标高。横向坐标6 7 0区域，分布煤层陷落柱，煤系地层视电阻率逐渐下降。300400500-200-300-400-500-6003-7003测线长度/m600700图1含水陷落柱的断面图8009001000191第二，采空区勘探。岩土塌破裂之后，会提高采空区的电阻率。如果采空区的充水量较多，则水体不仅会充满，还会填充断层的破裂带，降低岩块破裂区的电阻率。应用瞬变电磁法，勘探岩石电阻率的变化情况，对地层构造、含水率进行判断。比如某煤矿，全面探测矿井开发、采空区的面积，为全面分析数据资料，企业将瞬变电磁法应用到采空区，开展参数试验，表面采空区呈现出低电性的特点。4.2三维地震勘测陷落柱针对煤层、围岩来说，二者的波阻抗差异非常明显。如果煤层厚度大于1m，则煤层开采的反射波良好。如果采空区、陷落柱受到破坏后，地震时间剖析显示的反射波消失。当煤层受到低频影响后，则会导致上部构造出现不规则的破坏，用于识别陷落柱、采空区。获取的三维地震成果,与矿井资料的差异并不大，表明矿井下分布陷落柱。在煤矿的生产作业中，应当采取科学的防治措施，以免加大经济损失。4.3断层、含导水性直流电法勘查对某煤矿来说，由于地质环境的复杂度高，联合矿井资料、勘查结果可知,矿井含水层分布第四系、二叠系的含水层。受到构造影响，砂岩与灰岩贯通，出现大量的富水区，通过直流电阻率，能够对断层的含水情况进行探测。一般来说，受到电阻率法的影响，确定地层的断层范围,掌握含水量。如果断面的上下盘分别为地层、灰岩，且二者的视阻率差别明显，则可以通过电学性质断面辨认。如果上下盘为地层,则二者的电阻率小。当裂隙带较大，且积水量较多时，电学特性断面会出现电阻率异常。针对电性参数剖面，断层反映明显,划分为导水断层。尤其是断层间的破碎带，视电阻率比较低，要明确水源状态。煤矿在对断层进行判断后,明确存在大量的水。在煤矿的生产作业中，电性资料提供依据，要做好水害的防治工作，减少经济损失。5应用实例以A3#井的12 11工作面顺槽为例,该工作面为带压开采面，受到奥陶系灰岩承压水的影响，地质、水文地质条件复杂。工作面在承压水区域内，所以受采掘操作的影响较多，尤其是庄头断层构造周边，极易受到采动的影响，从而产生裂隙，造成工作面的涌水。按照水文地质资料可知，巷道掘进到3 0 0 m时，涌水量达到最大,淋水点主要为顶板裂隙、锚索孔。正常情况下，涌水量为15 2 5m/h。最大涌水量达到50 m/h。为了降低水害发生率，确保工作面回采安全，需要使用高密度电法、瞬变电磁法，超前探测12 11工作面。第7轮探测地点，即12 11泄水巷迎头。5.1 探测成果采用高密度电法、瞬变电磁法联合探测12 11泄水巷迎头。由于巷道短,迎头位置受到掘进机的影响,所以会影响此次探测作业。分析探测成果图可知，在迎头前方3 0 m范围内，岩体的电阻率达到最低。在3 2 m范围内,岩体的富水性高。在现场进行掘进操作中，必须加大对其的关注力度。5.2验证探测成果在掘进操作中,针对探测成果提示的异常区域,要实行深度钻探与考证处理，避免发生矿井水害。按照下场钻探、掘进揭露的情况，提示的探测异常区为1211泄水巷、AB探巷贯通点位置的积水区，和12 13 采空区相互连通,AB探巷内存在大量的积水。在贯通之前，煤矿开展巷道的启密闭、排水操作，确保巷道贯通的安全性。6结语综上所述,在煤矿水害的勘探中，可以应用物探技术,比如三维地震勘探法、瞬变电磁法，掌握含水量，为煤矿开采作业提供地质资料。物探技术的推广，可以有效处理煤矿的含水勘探问题。参考文献：1张伟.煤矿水害原因分析及主要防治技术研究J.科技资讯,2 0 2 2,2 0(2 0)：13 6-13 9.2李晓宇.煤矿防治水工作中物探与钻探技术的应用研究J.山西冶金，2 0 2 2,45（0 3）：2 8 9-2 9 0+3 13.3蒋文利.钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用分析J.中国新技术新产品，2 0 2 0（14）：147-148.4王腾江.分析钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用J.内蒙古煤炭经济，2 0 2 0（0 4)：152+154.5李永明.煤矿水害防治井下物探技术的选择与应用J.中国石油和化工标准与质量,2 0 17,3 7（18）：18 4-18 5.作者简介：韩博（19 8 8-），男，陕西渭南人，本科，工程师，研究方向：资源勘查；魏晓（19 9 0-），男，陕西渭南人，硕士研究生，工程师，从事煤田地质学、煤层气地质及地热能勘探开发等工作；薛宇飞（19 8 9-），男，陕西渭南人，本科，工程师，研究方向：资源勘查。192