高水压、强富水性大型矿井首采面富水异常区研究与治理

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【摘 要】随着国家西部大开发战略的进一步实施，位于我国中西部地区的内蒙古自治区东胜煤田越来越显示出其资源优势。东胜煤田是我国迄今为止发现的最大煤田之一，它以含煤面积广、煤炭资源储量丰富、煤质优良、开采技术条件简单，适合于大规模、机械化开采而闻名中外。但是由于煤层顶板含水岩层水压大、富水性强，给工作面回采带来一定困难，采用瞬变电磁法对矿井富水异常区进行研究与治理，大大提高煤矿回采安全性，降低煤矿开采成本。

【关键词】高水压；富水性强；瞬变电磁

1 概况

1.1 工程背景

XX煤矿首采面位于井田西部，顺槽布置于3-1煤层中。煤层埋深420多米，煤矿首采面长度为5000多米，整体为下山掘进，高差达70m，采用连采机掘进施工。XX煤矿直接充水水源为侏罗系中统延安组砂岩含水岩层，岩层厚100m左右，是矿井的主要水害来源。其特点为：高水压、强富水性、遇水易沙化、泥化顶板管理困难、断层导水性强。一旦遇到断层等地质构造极易引发突水事故，造成人员伤亡、淹工作面、淹井等事故，造成严重的经济损失。由于岩石胶结性差、富水性强等特点，是矿井水害的主要来源。

1.2 项目研究内容

1）采用矿井瞬变电磁法在3102工作面辅运顺槽掘进迎头进行超前探测，依据探测结果，综合矿井地质资料分析迎头前方20～100m范围、顶板上60m以上范围岩层富水性情况。

2）采用矿井瞬变电磁法在3102工作面辅运顺槽和回风巷2700m范围向工作面顶板方向探查，查明3工作面煤层顶板富水性，结合以往钻探资料定性分析顶板，为探放水钻孔设计提供依据，提交资料处理和解释的相关图件。

3）矿井瞬变电磁沿探查方向距离不小于120m，垂向达到煤层顶板上60m范围。

2 施工方法及工作量

2.1 探测方法及原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小； 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

2.2 仪器及装置形式

本次矿井瞬变电磁法探测仪器为国产YCS160矿用本安型瞬变电磁仪。该仪器具有抗干扰、轻便、防水、防尘和自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。其主要技术指标如下：

发射电流：≤3.2A

发射频率：400Hz、75Hz、25Hz、12.5Hz、6.25Hz、0.625Hz

发射电压：8.4V

叠加次数：1～9999（可选）

测道数：160道

A/D转换器：24bit

采样间隔：2us

最小接收信号：1uv

动态范围：160db

存储容量：4GB电子硬盘（可扩展）

端口：USB2.0

显示屏：8寸高清彩色液晶显示屏

操作界面：Windows

电源：内置4组电池组，电池容量4000mAh

工作时间：6小时

重量：4.5kg

瞬变电磁勘探有多种工作装置，常用的有偶极――偶极装置、大定回线源装置、同点装置，由于同点工作装置具有测深测量和剖面测量的双重工效及占地面积小等优点，适合井下施工，故选择同点工作装置的重叠回线形式工作。具体施工参数如下：

发射接收线框：1.5m×1.5m矩形回线，发射回线24匝，接收回线52匝；

采样时窗：1～98177us；

叠加次数：64次，根据现场实际情况适当的进行了增加；

时间采用标准时间序列。

2.3 井下数据采集

为了使探测效果更佳，在辅运顺槽1680m迎头处进行超前探测时，按照与迎头正前方不同夹角进行扇面扫描，形成对迎头左侧、左前方、正前方、右前方及右侧的探测。本次工作在顺层超前探的基础上，改变线框水平夹角实现了对迎头左侧帮、正前方、右侧帮煤层顶底板含水性的探测（如图1、图2所示）。在辅运顺槽和回风巷内对工作面顶板进行探测时，为了兼顾水平与垂直方向的信息，施工时发射线框与巷道顶板分别呈45°和75°方向。

图1 迎头超前探测扇形扫描布置图

3 研究成果与治理方法

3.1 辅运顺槽1680m迎头超前探测

通过对比分析，本次超前探测的异常区分为高阻异常和低阻异常。

（1）高阻异常：即Ⅴ号异常区，位于迎头左侧帮顶板45°方向约30m～90m范围内，水平距离左侧帮约20m～64m，垂向距离左侧帮中心20～64m。

（2）低阻异常：即Ⅰ号异常、Ⅱ号异常、Ⅲ号异常和Ⅳ号异常区。其中Ⅲ号异常位于迎头右侧顺层方向50°～90°范围内，水平距离右侧帮中心约30m～120m；Ⅰ号异常在迎头中心向顶板45°方向右侧0～30°范围内发育，水平距离迎头中心56m～84m，垂向距离迎头中心水平方向56m～84m；Ⅱ号异常在迎头中心顺层方向左侧30°～右侧30°范围内发育，水平距离迎头50m～120m；Ⅳ号异常在迎头中心底板板45°方向右侧0～30°范围内发育，水平距离迎头中心70m～84m，垂向距离迎头中心水平方向70m～84m。