2023年《安全技术》之杨庄煤矿太灰水患及其井下电法探测.docx

杨庄煤矿太灰水患及其井下电法探测 杨庄煤矿是淮北矿业集团公司所属现代化大型煤炭生产企业，原设计生产能力为90t/a，采用竖井多水平联合开采方式，1970年达产，随着技术改造，产量连年上升，二水平投产后，曾达240万t（1981）年，其后，随着开采深度增加，构造及水文地质条件日趋复杂，重新核定生产能力为140万t/a,近年产量根本维持在该水平，难有大的提升，其中一个重要的原因就是太灰岩溶裂隙水对平安回采构成严重威胁，因此，加强太灰水害的预测和治理工作十分重要。 1矿区构造及水文地质的特点 1.1 地质构造、主要含（隔）水层及其特点 杨庄井田位于闸河复式向斜的南部转折端，所处大地构造为华北淮地台鲁西隆起徐州褶断带的西南侧。井田地层由老至新为奥淘系，石灰系、二叠系、第四系，其中石灰系、二叠为含煤地层，井田构造以褶曲为主，断裂构造相对不发育，岩浆岩对煤层破坏严重。主要含水层组有第四系孔隙含水组、上石盒子孔隙~裂隙含水组；下石盒子组5煤裂隙含水组、山西组6煤裂隙含水组、太原组岩溶隙含水组、奥灰岩溶裂隙含水组；主要隔水层有第四系底部隔水层、6煤底板隔水层，太灰中、上段之间隔水层、本溪组隔水层等。Ⅱ617工作面的6煤底板太灰水突发酿成重大灾害以后，杨庄矿井水文地质条件修定为极复杂型。 1.2主采煤层及太灰水的威胁 杨庄煤矿受板灰岩水害威胁最为严重的是6煤，该煤层发育在石盒子组地层的下部，其底板以下有2个隔水层——6煤底板隔水层和太灰中、上段隔水层，总厚约40m。再向下即为太灰含水层和奥灰含水层，由于太灰砂岩裂隙和奥灰岩浴发育，小型断层众多，掘进和回采对底板的破坏和扰动，隔水层失去效用，灰岩水顺断层或裂隙通道突出，对6煤平安回采构成严重威胁。 1.3 突水类型及其特点 （1）5煤含水组突水，主要发生在掘进巷道迎头及回采工作面，顶板砂岩裂隙水，特点是初期水量大、来势凶猛、难以防范，但延续时间不长，随后枯干，对工作面平安回采影响极大。 （2）6煤含水层突水，多发生在掘进巷道迎头，开治涌水量大，很快减少然后枯槁，对平安生产无大影响。 （3）太灰突水，采动破坏底板触发灰岩岩溶裂隙形成导水通道所致，特点是开始水量小，然后迅速增大，很快到达峰值，随后渐小并保持稳定，突出涉及范围广，严重威胁矿井平安生产，是突水灾害的主要形式。 （4）奥灰突水，在构造发育地段或通过岩溶裂隙通道向太灰水进行补给所引发的底板突水，其特点是水源充分，储水量和输水能力巨大，虽然可能性和次数较小，一旦发生后果却是灾难性的。 （5）钻孔突水，生产中个别钻孔穿过太原区组灰岩，含水层未封好或未封所致。 以上5种类型中，（3）、（4）危害性最大，是防范的主要对象。 2井下直流电法探测 2.1 井下直流电法探测以岩石的导电性差异为根底，通过观测和分析巷道或采场附近稳定电流场的分布规律来研究解决有关矿井地质问题，与地面电法相比，并下电法具有几个显著特点：首先，它是全空间勘探，适用全空间电磁场理论；其次，受井下空间条件制约，一般只能在巷道中进行，而巷道空间对探测效果有重大影响，必须进行巷道空间影响的校正，早期研究和应用中，都未认真考虑该因素，近年始有学者对此做了一些研究；再之，靠近探测目标，获得异常强度大，易于识别，更为准确；另外，井下施工条件复杂，各种电磁干扰严重，对观测仪器要求高。这些特点，利弊兼有，给井下电法的研究赋予了许多新的内容。 2.2 井下直流电法在该矿区应用的物理前提 岩层之间或地质异常体与围岩之间具有明显的电性差展品是井下电法探测的应用物理前提。以杨压矿为例，6煤顶板泥岩电阻率仅为200Ω·m左右，底板砂岩电阻率60~100Ω· m，6煤电阻率在200Ω·m以上，相对于顶底呈现高阻反映，而灰岩电阻率可以高达n×1000Ω·m，即6煤附近不同地层导电性存在明显差异，利用直流测深进行层位划分十分有利；另一方面，当灰岩内部岩溶裂隙发育含水丰富时，岩溶附近灰岩电阻率会显著降低，该特点同样为利用直流电法在高阻围岩中寻找低阻地质体提供了有利条件。 3应用效果和实例 近年来，井下直流电法在全国数10个矿井尤其是一些水地质条件复杂，水患严重的矿井得到重点推广。利用井下直流电法探测含（隔）水层厚度、导水构造与通道，进行富水性评价和突水预测预报，取得了相当良好的应用效果。 杨庄煤矿3622工作面6为底板砂岩裂隙，太灰岩溶十分发育，灰岩含水丰富，风巷掘进过程中揭露小型断层多条，多处底少量出水，具有底板突水的潜在威胁。采用井下直流电法探测巷道底板下60m内含导水构造、富水区分布发育特征，并对可能的突出地段进行预测。图1是富水异常剖面图，有3处砂岩富水区，2处太灰富水区，并存在2处潜在太灰导水通道。图2是煤底板下60m附近太灰内部富水区平面分布趋势图，存在2处富水区域。矿方以富水区进行了打钻验证，在推荐地段作了适当的底板加固工作，对太灰水的突出起到积极预防作用。 　　 　　图1 3622工作面风巷富水异常剖面图 　　 　　图2 3622工作面太灰层段富水区平面分布图 4 井下电法应用现状及开展趋势 4.1 应用现状与存在的问题 自20世纪50年代末开始，国内先后有多家高等院校和科研院所开展井下直流电法的研究和试验工作，在根底理论、方法技术和井下电法仪器等方面均有一定开展。目前主要的工作方法有底板测深（确定含隔水层、寻找导水构造探查评价富水性）、巷道间直流透视（工作面内部富水性评价）和掘进头超前探测。由于直流电法有众多分支，运用起来比拟灵活，现对其特点及适应性归纳于表1。 　　 　　表1 矿井直流电法分支及其适应性 基于对国内井下直流电法研究和应用现状的分析，笔者认为，作为矿井物探手段的重要分支，其研究和应用中仍有以下几个方面的工和需要努力：一是理论上要建立尽可能贴近井下实际情况的数学模型进行数值模拟、巷道校正以期提高解释精度；二是数据质量，一切分析解释都是建立在可靠准确的数据据根底之上，井下电法数据采集环境复杂，干扰因素多，劳动强度大，不仅要求井下仪器灵敏度抗干扰性强智能轻便耐用，而且迫切需要改进施工方法技术，采取各种手段有解决诸如铁轨、金属支架、电机、浮煤厚、底板坚硬接地因难、局部积水等因素造成的不利影响；三是开展掘进头超前探测，巷道掘进过程中，经常需要快捷准确地探测前方构造发育情况及其导水性，目前超前探测理论有待完善，地质效果也不尽理想；四是井下直流电法可以利用多参数联合解释，并与其它物探方法配合，利用综合物探手段提高探测的可靠性与准确性。 4.2 开展前景 与其它地方物探方法相比，井下直流电法具有无可比拟的优点，因而具有广阔发开展前景，随着理论研究的进一步深入、仪器性能的提高和工作方法的改进，井下直流电法在预测水文地质灾害方面一定能发挥其独待作用。 　5小结 　本文以杨庄煤矿的水文地质特点为例论述了水害突发的特点，具一定的程度的代表性，并进一步论述了适合该类矿区的太灰水害探测的有效手段——井下直流电法的方法特点、应用现状、存在的问题和开展前景，以期对该方法的研究应用工作和类似杨庄煤矿的太灰水害探测防治工作有所启示。