矿井异常涌水水源综合判定技术_黎灵.pdf

矿井异常涌水水源综合判定技术 黎灵1， 2， 3 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京，100013; 2. 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京，100083; 3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京，100013 ［ 摘 要］针对淖尔壕煤矿回风大巷巷帮多处发生带压异常涌水情况，为了分析邻近矿井 4. 1MPa 采空区积水、以及淖尔壕矿厚松散层含水层对矿井异常涌水影响，判定异常涌水水源，通过 对矿井回风大巷南侧边界煤柱尺寸探测、煤层物理力学性质测试、边界煤柱稳定性验算、顶板富水性 探测等手段开展现场实测和理论研究，结果表明回风大巷南侧井田边界煤柱尺寸约 35m，满足安全煤 柱留设要求，回风大巷异常涌水水源判定为顶板含水层富水区砂岩水，为矿井进一步采取水害防治措 施提供指导。 ［ 关键词］采空区积水; 厚松散层富水; 异常涌水; 水源判定 ［ 中图分类号］ TD745 21［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201704- 0100- 03 Comprehensive Determination Technology of Mine Abnormal Inrush Water Source LI Ling1， 2， 3 1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Resource and Safety Engineering School，China University of Mine Technology Beijing ，Beijing 100083，China; 3. Coal Resource High Efficient Mining ＆ Clean Utilization State Key Laboratory China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China Abstract Abnormal water burst appeared at some position of ventilation roadway side of Zhuoerhao coal mine，in order to analysis the influence nearby 4. 1MPa goaf water and thick alluvium aquifer of Zhuoerhao coal mine to abnormal water burst，then abnormal water burst source was determined，according field test and theoretical study，coal pillar sizes exploration of south side of ventilation road- way，coal seam physical and mechanical property testing，stability calculation of coal pillar，exploration of roof waterly，the results showed that mine field boundary coal pillar sizes of ventilation roadway south was 35m，it satisfied safety of coal pillar set，abnormal water source was sandstone water of roof aquifer，and these reference for water damage control. Key words goaf water; thick alluvium abundant water; abnormal inrush water; water source determination ［ 收稿日期］ 2017－04－10［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 04. 026 ［ 基金项目］ 国家重大专项 2016ZX05045001－004 ; 国家自然科学基金资助项目 51674142 ［ 作者简介］ 黎灵 1984－ ，男，江西抚州人，助理研究员，主要从事煤矿水害防治、覆岩破坏方面研究工作。 ［ 引用格式］ 黎灵 . 矿井异常涌水水源综合判定技术 ［ J］． 煤矿开采，2017，22 4 100－102，105. 矿井水害是矿井主要灾害之一，矿井突水事故 往往造成重大的人员伤亡和财产损失。突水水源、 突水通道是矿井突水灾害的主要影响因素，快速准 确地判别矿井突水水源是开展水害防治和确保安全 生产的前提和保障 ［1－3 ］。矿井突水水源判别方法多 种多样，钻探、物探、水位动态判别法、水质分析 等均为突水水源判定重要技术手段 ［4－7 ］，物探方法 能快速实现大面积普查，已成为探明突水水源和通 道的重要手段，瞬变电磁法因具有对低阻含水体反 应灵敏、纵横向分辨率高、受体积效应影响小、工 作效率高、施工灵活等特点被广泛应用 ［8－11 ］。 本文利用单点震波法探测矿井回风大巷南部边 界煤柱尺寸，验算邻矿 4. 1MPa 采空区水压作用下 边界煤柱稳定性，并采用瞬变电磁法探测淖尔壕煤 矿回风大巷异常涌水巷道顶板覆岩富水性，分析矿 井古冲沟松散含水层富水区的影响，成功地判定回 风大巷异常涌水水源，为进一步制定水害防治措施 提供依据。 1工程背景 淖尔壕煤矿主采 4－2 号煤层，为近水平煤层， 煤层平均厚度 4m，埋藏深度 90～140m，基岩厚度 35～110m。井田回风大巷靠近南部边界，边界以外 为邻矿长壁采空区 如图 1 中 2405 采空区 ，采 空区常年积水，密闭处压力表显示该工作面采空区 水压为 4. 1MPa; 井田范围存在古冲沟盆地潜水富 水区，井田北翼盘区东部古冲沟盆地松散层厚度 大，最大可达 60m，松散沙层孔隙发育且受大气降 水补给，富水性强。 井田回风大巷南侧巷帮及顶板出现多处呈带压 001 第 22 卷 第 4 期 总第 137 期 2017 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 4 Series No. 137 August2017 ChaoXing 图 1淖尔壕煤矿古冲沟富水区与邻矿采空区位置关系 喷射状异常涌水，影响大巷安全使用，急需查明异 常涌水水源，采取防治措施，消除隐患。 2邻矿采空区积水影响分析 2. 1边界煤柱尺寸探测 2. 1. 1单点震波法探测原理 单点震波法探测技术是源于反射地震波勘探自 激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形 式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射 信号来解析计算目的层距离或厚度的 ［12－15 ］。 按照波阻抗理论，对于不同层状介质，设 z1为 上层介质波阻抗，z2为下层介质波阻抗，则有 z1ρ1v1，z2ρ2v2 1 由震波反射原理，层间界面反射系数 k 为 k z1 －z 2 z1 z 2 ρ1υ1－ρ2v2 ρ1v1ρ2v2 2 式中，ρ 为介质的密度; v 为震波波速。 一般情况下，煤层的密度多分布 1. 3 ～ 1. 5g/ cm3，波速为 0. 8～1. 5m/ms，而岩层的密度为 2. 4 ～3. 0g/cm3，波速 2. 5 ～ 3. 5m/ms，煤、岩界面反 射系数一般比较大，多为 0. 6 以上，是一个强反射 界面，有利于震波反射法进行超前或煤厚探测。 2. 1. 2单点震波法探测成果 本次研究采用矿井地质探测仪、矿用本安型地 震仪探测矿井南部边界煤柱尺寸，探测范围为 4 煤 回风大巷 1610m 范围，设计在 4 煤回风大巷外侧 每 100m 布置 1 个单点震波法测点，测点施工布置 如图 2 所示。测点向边界煤柱内部进行探测，每点 探测 4 组数据，分别为增益 0 一组、增益 24 一组、 增益 36 一组、增益 48 一组，每组数据炮击激发 3 次，4 组数据共计炮击激发 12 次。 数据处理时，将每个单点数据进行拼接后，经 过偏移成像处理形成地震剖面，图 3 为单点震波法 在 4 煤回风大巷外侧探测成果图。 对 2 种仪器探测成果图进行分析，在有效探测 深度 60m 范围之内，均在距离 4 煤回风大巷外侧 图 2单点震波法测点施工布置 图 3单点震波法探测成果 帮 35m 左右发现相对波速异常区域，推断为采空 区边界或保安煤柱边界。 2. 2边界煤柱合理性验算 2. 2. 1煤层物理力学参数测定 为验算煤柱留设合理性，需测定煤层单轴抗拉 强度。现场采取煤样，采用巴西劈裂法测试，对实 心圆柱体试件施加径向压缩线荷载至破坏，采用力 的加载方式加载，煤样采用 200～500N/s 的速度加 载，全过程均实时采集记录数据。 表 1淖尔壕煤矿 4－2 煤煤样劈裂法抗拉强度测试结果 试件编号高度/mm直径/mm 破坏荷 载/kN 抗拉强 度/MPa MY2016－025－00125. 9849. 122. 4261. 210 MY2016－025－00223. 2649. 042. 7521. 536 MY2016－025－00326. 8649. 062. 0981. 014 MY2016－025－00424. 4449. 642. 2901. 202 MY2016－025－00523. 8449. 222. 4441. 326 平均 －－－1. 257 2. 2. 2边界煤柱验算 积水采空区防水煤柱留设可视为煤层直接与含 水层 体相接触，可参照 煤矿防治水规定 中 “关于含水或导水断层防隔水煤 岩 柱的留 设”计算煤柱宽度，含水或导水断层防隔水煤 岩柱留设图见图 4，经验公式如下 L 0. 5KM 3p Kp 槡 ≥20m 3 式中，L 为煤柱留设的宽度，m;K 为安全系数， 一般取 2～5，建议取 5;M 为煤层厚度或者采高， m; P 为水压，MPa; Kp为煤的抗拉强度，MPa。 煤层厚度 2. 2 ～ 4. 52m，取最大值 M 4. 52m， 采空区埋藏深度约 100～160m，采空区积水水位不 断上涨最终将与松散含水层水位一致。因此，按照 采空区埋深最大值作为煤柱可能承受最大水头高度 101 黎灵 矿井异常涌水水源综合判定技术2017 年第 4 期 ChaoXing 计算水压，即 p1. 6MPa，Kp1. 257MPa。将各参 数带入公式 3计算可得，安全煤柱宽度 L 22. 1m。 图 4含水或导水断层防隔水煤 岩 柱留设 由此可见，淖尔壕煤矿南部井田边界防水煤岩 柱尺寸大于 22. 1m 能确保该矿回风大巷不受邻矿 采空区积水威胁。根据淖尔壕煤矿及邻矿提供的采 掘平面图测量，两矿之间边界煤柱设计留设总宽度 为 46m，根据单点震波法探测煤柱宽度约 35m，设 计留设煤柱宽度与物探煤柱宽度均满足煤柱稳定性 验算要求，矿井回风大巷煤壁异常涌水排除邻矿采 空区积水影响。 3顶板及松散含水层影响分析 3. 1矿井瞬变电磁法探测布置 瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称 TEM， 是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲 磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地 电极观测二次涡流场的方法。矿井瞬变电磁法则是 在井下进行探测，对于探测煤层顶板富水性效果较 好，应用广泛，本次矿井瞬变电磁探测 4 煤回风大 巷顶板富水性探测参数布置如下 探测范围为 4 煤回风大巷 1610m 范围 探测 范围同单点震波法探测范围，如图 2 ，设计 5 条 测线，内侧顶板 60、顶板 90、外侧顶板 60、外 侧顶板 30、外侧顺层，探测方向 即线圈法线方 向与巷道顶板水平面所成角度 ，测线方向布置如 图 5。每条测线长 1610m;每条测线点间距 10m， 测点由巷口开始布置，编号依次为 0，1，2 图 5瞬变电磁测线角度布置 3. 2顶板水影响分析 本次瞬变电磁探测数据经过反演计算处理后， 主要形成各探测方向二维电阻率剖面图，用于推断 解释 4 煤回风大巷顶板富水区分布情况。图 6 为 4 煤回风大巷顶板矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值 线拟断面图，图中横坐标为回风大巷 1610m 范围， 纵坐标轴为沿探测方向的距离。 由图 6 可以看出 1回风大巷 1610m 范围顶板存在 12 处低阻 异常区，推断为顶板富水区，且顶板富水区主要集 中在 0～ 50，180 ～ 340，370 ～ 720，1100 ～ 1400 及 1430～1600m 范围，该区域可作为顶板疏放水重点 对象考虑。 2在有效探测深度为 100m 范围之内，结合 现场环境、基岩厚度等相关地质资料推断顶板方向 低阻异常为松散含水层富水区影响。 图 64 煤回风大巷顶板 90方向 0～1610m 矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面 由以上探测、分析可知，淖尔壕矿南部边界煤 柱尺寸约 35m，满足邻矿采空区水压条件下隔水煤 柱稳定性要求，矿井回风大巷异常涌水排除邻矿采 空区积水影响; 顶板富水性瞬变电磁探测显示，上 覆松散含水层存在多处富水异常区，回风大巷煤壁 异常涌水主要受上覆松散含水层富水区影响。 4结论 1在存在采空积水区威胁时，通过单点震 波法物探手段，可有效探测采掘空间与采空区之间 煤岩柱尺寸，验算煤柱稳定性，评价采空积水区威 胁程度。 2矿井瞬变电磁法对顶板富水性探测具有 良好效果，能有效探明富水区平面分布及空间位 置，为进一步开展顶板富水区疏放工作提供依据。 3矿井受采空积水区、顶板富水区等复合 水源影响条件下发生异常涌水时，瞬变电磁法、单 下转 105 页 201 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing