直流电法在西坡煤矿探测富水构造中的应用

朱加锋，雷东记

直流电法在西坡煤矿探测富水构造中的应用

朱加锋1，雷东记2

(1.山西潞安集团公司通风处，山西 长治市 046204；2.河南理工大学 安全学院，河南 焦作市 454000)

西坡煤矿5100工作面安装调试过程中，采空区顶板发生垮落，随后发现工作面底板涌水。为避免开采过程突发突水事故，基于井下直流法勘探原理，在5100工作面皮带顺槽和轨道顺槽分别进行了直流电法探测，对该工作面周围的富水性特征、围岩断层破碎带、富水构造以及潜在突水点的分布情况进行全面探查分析。结果证明直流电法对井下水害探测是有效的，为工作面加强超前探放水相关工作，制定探放水措施提供了依据。

直流电法;富水构造;突水;水害探测;煤矿

在矿井生产中，突水事故是煤矿最严重的灾害之一。为避免突水带来的不必要的矿井生产损失和事故，通常采取相应的地球物理探测方法进行工作面超前物探，及时发现富水构造，对煤矿安全生产具有重要的意义[1]。当前煤矿对于井下富水构造运用较多的地球物理探测方法有井下直流电法[2-3]、瞬变电磁法[4-6]以及地震波法[7-8]等，各种方法都具有自己的优点和适用性。其中瞬变电磁法具有体积效应以及受井下探测区域环境干扰较大[9]，从而要求分析过程中要去掉干扰因素，一定程度上增加了探测难度；地震波法在井下对富水探测不灵敏，精度太低，不利于矿井应用推广。直流电法是当前矿井探测工作面前方富水构造应用最广泛的物探方法，不仅如此，直流电法在工作面、顶底板的探测也发挥了重要的作用[10-11]，目前直流电法仪逐渐小型化、高精度化，可实现井下安全高效的数据采集。

本文采用直流电法对西坡矿首采工作面存在的底板涌水问题进行超前探测，为煤矿加强超前探放水、制定防水措施相关工作提供指导。

1 工作面地质概况

西坡煤矿位于山西省吕梁市柳林县西北部，5100工作面作为首采工作面，工作面标高为531.3～469.5 m，主采5(4+5)号煤层。井田内太灰水水位标高为718.95～833.01 m，5(4+5)号煤层均位于太灰水水位之下。5(4+5)号煤层直接底和老底裂隙发育，分别为2.03～3.5 m抗拉强度较小的砂质泥岩和6.31～7.50 m的中砂岩，砂岩质硬以及裂隙不易弥合的属性决定了其成为充水通道的可能。由于煤层底板局部裂隙发育以及煤层开采工程中对底板的破坏，导致底板裂隙导通L5含水层，可能造成生产过程中水害事故。按照《矿区水文地质工程地质勘探规范》，突水系数计算结果如表1所示。结果表明370孔突水系数最大，为1.793 MPa/m，133孔突水系数最小，为0.206 MPa/m，即使最小值也大于煤矿防治水规定中的0.1 MPa/m的标准，故太灰水对开采5(4+5)号煤层有很大的威胁，应该制定比较严格的承压开采防治水措施，尤其加大断层等地质构造以及未封或封孔不良钻孔附近区域的防治水工作力度。

表1 太原组石灰岩裂隙、岩溶水对5(4+5)号煤突水系数

2 数据采集与分析

2.1 测线及测点的布设

为了探明5100工作面皮带顺槽和轨道顺槽底

板含水层、断裂破碎带等富水构造，同时满足布点施工简单、经济、人力成本少，测量过程安全，测量结果精度高，以及矿井需求等要求，经过综合对比分析，采用固定M、N电极而移动A电极的三极法，移动步距为5 m，其中供电电极有两个电极。电极A、B为铁棒，电极M、N为铜棒，铜棒具有更好导电性和非极化性，可以测量到更精确和稳定的数据，将电极分别连到四根电缆上（见图1）。

图1 井下直流电法施工

现场在工作面皮带顺槽和轨道顺槽各布置一条测线。两条测线各设置33个桩点，桩点间距20 m，测线总长为640 m。其中轨道顺槽测深为45 m，皮带顺槽由于考虑到工作面超前支护区底板积水的影响，为探测准确性和精度考虑，皮带顺槽测深为40 m。

2.2 探测成果分析

利用专门软件对探测数据进行综合处理，去除明显错误的数据后，绘制电阻率剖面图。图2为轨道顺槽三极电测深，图3为皮带顺槽三极电测深。首先对同桩点有效数据进行比较，如果同桩点中有存在相差3倍以上的值，则视为异常桩点；然后对异常桩点和其相邻桩点进行比较，如果异常桩点至少有3个数据小于相邻桩点数据，则该异常桩点较小测点（区）被定为低阻异常点（区），图中低阻区使用红色菱形表示，高阻区方法相同，图中用蓝色圆形表示。

由图2可知，轨道顺槽巷道底板高阻点（区）分布较广，桩点60，100，140，160，200，220，280，360，380，400，460，520，580，640 m区域附近为高阻异常区，总共14个高阻区，由轨道顺槽视电阻率剖面曲线图可知，桩点80，300，420，540 m和620 m位置区域为低阻异常区，总共9个低阻异常区，尤其300 m和420 m异常区距掘进过程中发现的穿越工作面断层较近，工作面回采过程中应注意做好防范工作。

图2 轨道顺槽三极电测深

图3 皮带顺槽三极电测深

由图3可知，皮带顺槽巷道底板高阻点（区）分布较广，桩点0，60，80，120，140，160，200，300，380，420 m和540 m区域附近为高阻异常区，总共11个高阻区，由皮带顺槽视电阻率剖面曲线图可知，桩点40，80，240，320，440 m和520 m位置区域附近为低阻异常区，一共9个低阻异常点（区），尤其240 m和440 m异常区距掘进过程中发现的穿越工作面断层较近，工作面回采过程中应注意做好防范工作。高阻点（区）主要集中在30 m深度以下，尤其在轨道顺槽最为明显。其中，轨道顺槽200 m桩点位置存在一个最大视电阻率值为1191.12 Ω∙m的高阻区域，分析原因为巷道在该位置区域突然变陡所致，轨道顺槽350～370 m桩点位置存在高阻区域，分析原因为巷道在该位置区域顶底板破碎，掘进过程中发现两条断层在该位置区域交汇，导致视电阻率值明显升高，这两点验证了该方法在巷道底板电测深中的准确性和有效性。

3 结 论

（1）通过采用YDZ(A)直流电法仪对西坡煤矿5100工作面进行富水构造探测，证明直流电法对井下水害探测是有效的。

（2）西坡煤矿5(4+5)号煤开采时受到底板太灰裂隙岩溶水的威胁较大。工作面皮带顺槽和轨道顺槽结果显示低阻异常区较多，证明巷道底板存在较多富水区域和含水构造，工作面回采过程中务必加强超前探放水相关工作，制定严格的探放水措施，应提前做好太灰水的预防工作。

（3）由于探测距离较远，受巷道坡度的影响，桩点与实际巷道具体位置可能存在一定误差，所以建议在工作面开采中加强探测，并实施综合探测和防治措施。

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(2019-07-08)

朱加锋(1984—)，工程师，主要从事煤矿一通三防工作。