羊东矿4号煤工作面防治水综合物探研究_曹栋.pdf

地 测 与 水 害 防 治Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 20231概况羊东矿 8470 工作面为 4 号煤综采工作面，标高为-611-793 m。运料巷长为 1 120 m，溜子道长 1 340 m，采宽 130 m。1.1工作面的地质情况羊东矿 8470 工作面东部以 8468 工作面为界，西部以 8466 采空区为界，南部以五二采区 3 条下山为界，北部以 F30 断层预留防水煤柱为界。该工作面地质条件较复杂，工作面呈褶曲构造形态，外段为背斜，里段为向斜，煤岩层走向为 N53WN84E，倾角 2 28，平均 14，煤层厚度1.20 1.96 m，平均厚度 1.3 m，煤层稳定，结构简单。根据 8472 巷道及 8472 工作面相邻巷道实际揭露地质资料，共计揭露 28 条正断层，其中断距大于 1/2 煤厚的 12 条，如图 1 所示。1.2工作面的水文地质情况8470 工作面开采煤层为野青煤，煤层底板标高为-611 -793 m，水文地质条件较复杂。根据相邻工作面掘进期间水文观测情况，预计该工作面掘进期间正常涌水量 0.08 m3/min，最大涌水量在0.6 m3/min。该工作面开采煤层顶板为野青灰岩含水层，该含水层富水性弱，随巷道掘进揭露以滴淋水形式可逐渐疏干，一般不会对正常掘进造成影响。底板含水层依次为伏青灰岩含水层、大青灰岩含水层、奥羊东矿 4 号煤工作面防治水综合物探研究曹 栋（冀中能源峰峰集团有限公司 羊东矿，河北 邯郸 056200）摘要：本文以羊东矿 8470 工作面为研究对象，有针对性的对工作面综合物探工作进行了详细论述，尤其对工作面物探实施手段的选择及现场工作方法，对所选择物探手段的适应范围和解析方法进行详细描述。通过上述类型研究，对同一层煤层工作面的防治水的物探工作的开展，具有指导意义。关键词：水文地质情况；瞬变电磁；电测深；坑透中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0048-05Study on comprehensive geophysical explorationof water prevention and control in No.4 Coal Seamface of Yangdong MineCaoDong(Yangdong Mine,Jizhong Energy Fengfeng Group Co.,Ltd.,Handan 056200,China)Abstract：In this paper,the No.8470 Face of Yangdong Mine was taken as the research object.The comprehensivegeophysical exploration work of the working face was discussed in detail,especially the selection of the implementationmeans of geophysical exploration and the on-site working methods of the working face.And the adaptation scope andanalytical methods of the selected geophysical exploration methods were described in detail.Through the above type ofresearch,it was of guiding significance to carry out the geophysical exploration work of water prevention and control in thesame coal seamworkingface.Key words：hydrogeological conditions;transient electromagnetism;electric depth-measurement;tunnel perspective责任编辑：高小青DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.012作者简介：曹栋（1981），男，河北邯郸人，工程师。引用格式：曹栋.羊东矿 4 号煤工作面防治水综合物探研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：48-52.482023 年第 5 期灰含水层。伏青含水层近 3 a 最高水位为-605 m，根据工作面周边 809 号钻孔资料分析，距野青煤层最小间距 29.56 m。图 1羊东矿 8470 工作面工程布置示意Fig.1 Engineeringlayout ofNo.8470 Face in YangdongMine大青含水层近 3 a 最高水位为-360 m，根据工作面周边 809 号钻孔资料分析，该含水层与野青煤层最小间距 70.53 m。奥灰含水层近 3 a 最高水位为+136 m，根据井田煤系地层综合柱状图资料分析，该含水层与野青煤层最小间距 115.55 m，柱状图如图 2 所示。该工作面西部临近 8466 采空区，工作面内及周边有 807、708、909、809、73、705 号地质钻孔，经核实钻孔封闭情况，73 号孔封孔质量为合格，其余钻孔封孔质量为良好，工作面开采不受钻孔水威胁。2防治水物探工作目的及设计2.1工作面物探的目的及意义羊东矿奥灰水位为+136 m，工作面底板标高最低为-793 m。8470 工作面底板到奥灰距离为110.56 m，突水系数 Ts 大致为 0.084 MPa/m，大于0.06 MPa/m。由于 8470 工作面受下伏奥灰水威胁，属带压开采，水文条件复杂。为此查明该工作面内及外围 60 m 范围、底板下 120 m 范围内煤、岩层含水异常体的分布情况，确保底板无导含构造发育是确保工作面安全回采的基本。2.2物探主要任务为查明工作面底板下 120 m以浅区域，是否存在含水异常体分布。此次物探工作采用电测深和瞬变电磁手段进行相互验证探查，采用技术成熟的无线电波坑透技术对工作面内部构造进行探查。（1）电测深技术，探测区域为工作面两巷，探测深度为底板下 20 m至底板下 120 m以浅范围。（2）井下瞬变电磁技术，工作区域为工作面及切眼，探测范围为 8470 工作面外围 60 m及内部煤层底板下 120 m范围。（3）无线电波坑道透视技术，探测区域为工作面内部，主要探查工作面内部大于 1/2 煤厚的断层和是否存在长轴大于 20 m的陷落柱。2.3现场工作布置及技术要求2.3.1电测深电测深工作采用 YBD11 矿用网络并行电法仪，8470 工作面运料巷长 1 120 m，巷道有效测点布置224 个，测点间距 5 m，测深 20 120 m；溜子道长 1 130 m，巷道有效测点布置 226 个，测点间距5 m。2.3.2瞬变电磁探测瞬变电磁探测采用 PROTEMCM瞬变电磁仪，发射频率 25 Hz，接收线框为 1D 线框，数据采集采用 30 门。工作面瞬变电磁探测设计为两巷向工作面内外两侧底板方向多角度探测，重点控制范围是工作面内部及外围 60 m 以内，包含切眼外帮方向，煤层底板 120 m以浅范围。切眼及切眼超前瞬变电磁工作布置如图 3 所示。（1）运料巷测线长度 1 120 m，探测角度布置为 里 帮-20、-40、-60，外 帮-50、-75，共 5 个角度，测点间距 10 m。（2）溜子道测线长度 130 m，探测角度布置为 里 帮-20、-40、-60，外 帮-50、-75，共 5 个角度，测点间距 10 m。运输巷及运料巷瞬变电磁工作布置如图 3 所示。（3）切眼测线长度 130 m，探测角度为外帮0、-20、-40、-60，共 4 个角度，测点间距 10 m。2.3.3无线电波坑道透视8470 工作面总长 1 085 m，设置发射点间隔 50m布置 1 个，在巷道揭露断层附近可适当加密发射点，以保证探测质量。相对应的每个发射点设置15 个接收点，接收点中间点以对面巷道反射点为中心，每个接收点点间距为 10 m，工作面共布置接收点 65 个。曹栋：羊东矿 4 号煤工作面防治水综合物探研究49煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷2.4现场探测技术要求为保证数据采集资料的可靠，除严格按照工程设计施工外，还要对针对不同的巷道条件采取对应的措施。（1）在坑透探测时，针对巷道揭露的断层附近可加大测点密度，以采集更多有效探测数据。在巷道探测时，先探测巷道背景电磁场值，为数据修正准备。（2）电测深提高供电电压，在减少各电极极化反应的同时，保证供电电流稳定，尽量提高发射电流，保证探测数据的可靠有效。（3）在遇到巷道积水段，应该要求矿方尽量排空积水或开挖临时水仓，减少对巷道探测的干扰。遇到紧急实在无法避免时，则采用电极打在煤壁上的临时手段进行勘探，后续对该段数据要进行修正。（4）瞬变电磁探测是要保证探测角度准确，采用坡度规等测量设备修正角度，并确保发射框和接收框在同一平面，尽量减少金属物形成的近电磁场干扰。3综合物探资料成果解析3.1瞬变电磁资料解析采用专业 TEMINT瞬变电磁解析软件对原始数据进行预处理、滤波、Db 和 Bt 双衰减曲线校核，然后再进行时深转换。最后形成每一条测线的视电阻率深度曲线图。最后采用 sufer 软件形成羊东矿8470 工作面瞬变电磁探测视电阻率等值线断面图（图 4），图中横坐标为运料巷道测点相对位置，探测位置探测位置6040201590（a）瞬变电磁角度设计图图 2工作面柱状图Fig.2 Workingface histogram图 3瞬变电磁侧向探测角度示意Fig.3 Transient electromagnetic lateral detection angle运料巷溜子道6012075506040202040607550（b）切眼及超前探测垂向探测角度示意（c）超前探测水平探测角度示意地质时代系统组厚度/m累计厚度/m柱状1200岩石名称二叠系P石炭系下统P1上统山西组P1S太原组5.005.00细粒砂岩砂质泥岩大煤2 号煤砂质泥岩中粒砂岩粉砂岩中粒砂岩细粒砂岩粉砂岩互层灰岩细粒砂岩细粒砂岩灰岩页岩一座煤3号煤野青煤4号煤中粒砂岩中细砂岩细粒砂岩中粒砂岩细粒砂岩细粒砂岩细粒砂岩细粒砂岩细粒砂岩石灰岩石灰岩中粒砂岩山青煤粉砂岩小煤 6(1)号煤伏青煤 7(2)号煤小煤 6(1)号煤小煤 4(1)号煤CC3C3t0.253.501.401.450.505.002.404.600.403.002.800.302.502.503.003.200.201.401.303.202.500.705.506.002.303.508.005.500.30-0.500.50-1.000.60-1.000.50-1.501.20-1.961.305.5011.0012.0013.0021.0024.5026.8032.834.3039.8040.5043.0046.2047.5049.4650.8651.0654.2657.2659.7662.2665.5665.3668.3668.7673.3675.7680.7681.2682.7184.1187.6187.86502023 年第 5 期纵坐标为时深转换后得到的探测深度。图中曲线为经过计算的视电阻率变化指示曲线。为保证突出异常显示，采用不同色界代表不同的视电阻率值，通过设置显示的相对色差高低，而确认以电阻率数值越小为弱性色域，通常视电阻率越小，含水性越强。图 48470 运料巷瞬变电磁探测视电阻率等值线断面图Fig.4 The apparent resistivitycontour section diagramoftransient electromagnetic detection in transport roadwayofNo.8470 Face此次工作面瞬变电磁沿探测方向最大探测解释距离为 150 m，根据反演数据确认探测盲区为 20m，该盲区不影响底板含水异常体的探测。根据工作面多组瞬变电磁探测解析曲线综合分析，在此次瞬变电磁探测范围内电阻率变化成均匀分布，证明在底板探测深度范围内没有存在含水性较强的地质低阻体形成，其底板下方煤岩性反应均在高阻范围内。对于在巷道起始位置出现的点状低阻区域，因其范围较小，且结合现场存在的个别电器干扰源相对应，因此可以将该个别异常点予以排除。3.2电测深资料解析巷道所取得电测深数据，先通过数据筛选剔除测量数据中由于采集现场干扰导致的极高和极低数值，然后再进行专业计算。由于采集数据密度极大，可充分保证数据的可靠。通过对比标志层位电阻率值，大致判断所设置反演深度系数是否合理。最终通过反演可得到羊东矿 8470 工作面电测深探测视电阻率等值线断面图（图 5）。图中横坐标为测量巷道，纵坐标为反演深度。图中曲线为视电阻率等值线，以不同色界代表不同的视电阻率数值，其中可自行设置视电阻率数值越小，所反映的相对含水性也越强，可增加异常的辨识度。根据电测深等值线断面图，探测范围内在巷道320 m 位置底板下圈定 1 处低阻异常 C1，结合其探测层位和矿方资料发现该异常处于底板下 40 m位置，由于异常范围较小，且该异常探出位置与电测深跑极方向 420 m处底板积水有关，因此可以认定该异常为测量电极在跑位中受现场底板积水等条件影响产生的测量低电位干扰，后在其计算、反演图 5羊东矿 8470 工作面电测深视电阻率等值线图Fig.5 The apparent resistivitycontour diagramofelectric depth-measurement in No.8470 Face ofYangdongMine0-20-40-60-80探测深度/m040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120巷道相对位置运料巷0-20-40-60-80探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m-20-40-60-80-100-120探测深度/m040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120040 80120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 9601000104010801120曹栋：羊东矿 4 号煤工作面防治水综合物探研究51煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷201 工作面导水裂隙带发育高度约为 39.18 m。4结语本文以金辛达煤矿 2 号煤层顶板水害防治为研究背景，通过对 201 工作面采动覆岩裂隙的研究，总结出其导水裂隙带的发育规律，综合采用 2 种实测手段确定了导水裂隙带的发育高度，研究成果丰富了岩层控制理论与顶板突水机理有着重要的理论意义，对防治水工程实践有重要的指导意义，为煤矿安全高效开采奠定了基础。参考文献：1 马鹏程.工作面导水裂隙带高度实测技术应用 J.煤炭与化工，2021，44（11）：39-41.2 郑文贤，刘一龙，啜晓宇，等.煤层重复采动条件下覆岩移动规律数值模拟研究J.煤炭与化工，2020，43（9）：1-5，9.3 张宏志.综采工作面覆岩导水裂隙带高度研究 J.煤炭与化工，2019，42（2）：58-60.（上接第 47 页）过程中叠加放大，因此该异常可以予以排除，因此此次工作面巷道底板电测深在其探测深度范围你未发现相对低阻异常的存在。3.3坑透资料解析通过分析 8470 工作面坑透探测的实测坑透场强分布曲线，同过根据上下巷多个发射点上所测的交汇场强，利用 SIRT 算法（Simultaneous IterativeReconstruction Techniques，同时迭代重构技术），计算得到单个曲线的吸收系数值，进一步利用整个工作面内所有接收曲线的吸收系数，经过工作面的网格计算，最终反演成像。根据实测场强分布图可分析共发现工作面内 2处地质构造异常区，如图 6 所示。K1 位于运料巷 190 580 m 和溜子道 40 510m，K1 异常区内地质构造过于复杂，断层影响相互叠加，从坑透曲线很难分辨断层的具体走向，从接收信号分析断层整体影响已大于 1/2 煤厚。在K1 异常区内未发现短轴大于 20 m的陷落柱发育。K2 位于运料巷 760 1 010 m，工作面内距运料巷 14 55 m，分析为巷道揭露断层在工作面内的延伸，断层落差小于 1/2 煤厚。4结语通过瞬变电磁、电测深技术基本查明了羊东矿8470 工作面探测范围内煤、岩层的富水情况，且判定在探测控制范围内未发现水文地质异常。工作面内圈定的 2 处地质构造异常区。K1 因异常范围较大，异常区内断层发育，但未发现短轴大于 20m 的陷落柱。K2 为巷道揭露断层在工作面内的延伸，对工作面回采影响较小。从上述物探工作的设计、布置、分析过程中，发现对工作面底板探测，尤其是在承压开采工作面中双方法探测的必要性。特别是大埋深工作面，其要求保证隔水层厚度的完整性，采用多手段验证探查，才是煤矿安全生产的保证。参考文献：1 张 华，李红立，潘冬明.综合物探技术在煤矿巷道底板富水区勘探中的应用效果分析 J.工程地球物理学报，2014，11（6）：868-872.2 倪良高，罗子付.矿井瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用J.能源技术与管理，2007（1）：54-55.3 张运霞，牛向东，韩自豪，等.瞬变电磁法在矿井水害治理工作中的应用 J.工程地球物理学报，2004，1（5）：418-423.4 孙二峰，郭峰伟.瞬变电磁法在煤矿井下探水中的应用 J.技术与市场，2011，18（9）：200.5 丁荣胜，张殿成，王仕昌，等.高密度电阻率法和地震映像法在采空区勘察中的应用 J.物探与化探，2010（6）：732-737.6 温亨聪，李学臣，杨海涛，等.无线电坑透技术探查矿井老旧空巷效果研究J.煤炭技术，2021（4）：63-65.7 薛龙超，田永晖.工作面防治水中综合物探技术的使用研究J.中国科技博览，2015（23）：224-224.图 68470 工作面地质构造异常区示意Fig.6 The geological structure abnormal area ofNo.8470 FaceC1K1K252