楊莊煤礦太灰水患及其井下電法探測

楊莊煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)公司所屬現(xiàn)代化大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90t/a，采用豎井多水平聯(lián)合開采方式，1970年達(dá)產(chǎn)，隨著技術(shù)改造，產(chǎn)量連年上升，二水平投產(chǎn)后，曾達(dá)240萬t（1981）年，其后，隨著開采深度增加，構(gòu)造及水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，重新核定生產(chǎn)能力為140萬t/a,近年產(chǎn)量基本維持在該水平，難有大的提升，其中一個(gè)重要的原因就是太灰?guī)r溶裂隙水對(duì)安全回采構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，加強(qiáng)太灰水害的預(yù)測和治理工作十分重要。

1礦區(qū)構(gòu)造及水文地質(zhì)的特點(diǎn)

1.1 地質(zhì)構(gòu)造、主要含（隔）水層及其特點(diǎn)

楊莊井田位于閘河復(fù)式向斜的南部轉(zhuǎn)折端，所處大地構(gòu)造為華北淮地臺(tái)魯西隆起徐州褶斷帶的西南側(cè)。井田地層由老至新為奧淘系，石灰系、二疊系、第四系，其中石灰系、二疊為含煤地層，井田構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造相對(duì)不發(fā)育，巖漿巖對(duì)煤層破壞嚴(yán)重。主要含水層組有第四系孔隙含水組、上石盒子孔隙~裂隙含水組；下石盒子組5煤裂隙含水組、山西組6煤裂隙含水組、太原組巖溶隙含水組、奧灰?guī)r溶裂隙含水組；主要隔水層有第四系底部隔水層、6煤底板隔水層，太灰中、上段之間隔水層、本溪組隔水層等。Ⅱ617工作面的6煤底板太灰水突發(fā)釀成重大災(zāi)害以后，楊莊礦井水文地質(zhì)條件修定為極復(fù)雜型。

1.2主采煤層及太灰水的威脅

楊莊煤礦受板灰?guī)r水害威脅最為嚴(yán)重的是6煤，該煤層發(fā)育在石盒子組地層的下部，其底板以下有2個(gè)隔水層——6煤底板隔水層和太灰中、上段隔水層，總厚約40m。再向下即為太灰含水層和奧灰含水層，由于太灰砂巖裂隙和奧灰?guī)r浴發(fā)育，小型斷層眾多，掘進(jìn)和回采對(duì)底板的破壞和擾動(dòng)，隔水層失去效用，灰?guī)r水順斷層或裂隙通道突出，對(duì)6煤安全回采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.3 突水類型及其特點(diǎn)

（1）5煤含水組突水，主要發(fā)生在掘進(jìn)巷道迎頭及回采工作面，頂板砂巖裂隙水，特點(diǎn)是初期水量大、來勢兇猛、難以防范，但延續(xù)時(shí)間不長，隨后枯干，對(duì)工作面安全回采影響極大。

（2）6煤含水層突水，多發(fā)生在掘進(jìn)巷道迎頭，開治涌水量大，很快減少然后干枯，對(duì)安全生產(chǎn)無大影響。

（3）太灰突水，采動(dòng)破壞底板觸發(fā)灰?guī)r巖溶裂隙形成導(dǎo)水通道所致，特點(diǎn)是開始水量小，然后迅速增大，很快達(dá)到峰值，隨后漸小并保持穩(wěn)定，突出波及范圍廣，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，是突水災(zāi)害的主要形式。

（4）奧灰突水，在構(gòu)造發(fā)育地段或通過巖溶裂隙通道向太灰水進(jìn)行補(bǔ)給所引發(fā)的底板突水，其特點(diǎn)是水源充沛，儲(chǔ)水量和輸水能力巨大，雖然可能性和次數(shù)較小，一旦發(fā)生后果卻是災(zāi)難性的。

（5）鉆孔突水，生產(chǎn)中個(gè)別鉆孔穿過太原區(qū)組灰?guī)r，含水層未封好或未封所致。

以上5種類型中，（3）、（4）危害性最大，是防范的主要對(duì)象。

2井下直流電法探測

2.1 井下直流電法探測以巖石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和分析巷道或采場附近穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律來研究解決有關(guān)礦井地質(zhì)問題，與地面電法相比，并下電法具有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：首先，它是全空間勘探，適用全空間電磁場理論；其次，受井下空間條件制約，一般只能在巷道中進(jìn)行，而巷道空間對(duì)探測效果有重大影響，必須進(jìn)行巷道空間影響的校正，早期研究和應(yīng)用中，都未認(rèn)真考慮該因素，近年始有學(xué)者對(duì)此做了一些研究；再之，靠近探測目標(biāo)，獲得異常強(qiáng)度大，易于識(shí)別，更為準(zhǔn)確；另外，井下施工條件復(fù)雜，各種電磁干擾嚴(yán)重，對(duì)觀測儀器要求高。這些特點(diǎn)，利弊兼有，給井下電法的研究賦予了許多新的內(nèi)容。

2.2 井下直流電法在該礦區(qū)應(yīng)用的物理前提

巖層之間或地質(zhì)異常體與圍巖之間具有明顯的電性差展品是井下電法探測的應(yīng)用物理前提。以楊壓礦為例，6煤頂板泥巖電阻率僅為200Ω·m左右，底板砂巖電阻率60~100Ω· m，6煤電阻率在200Ω·m以上，相對(duì)于頂?shù)壮尸F(xiàn)高阻反映，而灰?guī)r電阻率可以高達(dá)n×1000Ω·m，即6煤附近不同地層導(dǎo)電性存在明顯差異，利用直流測深進(jìn)行層位劃分十分有利；另一方面，當(dāng)灰?guī)r內(nèi)部巖溶裂隙發(fā)育含水豐富時(shí)，巖溶附近灰?guī)r電阻率會(huì)顯著降低，該特點(diǎn)同樣為利用直流電法在高阻圍巖中尋找低阻地質(zhì)體提供了有利條件。

3應(yīng)用效果和實(shí)例

近年來，井下直流電法在全國數(shù)10個(gè)礦井尤其是一些水地質(zhì)條件復(fù)雜，水患嚴(yán)重的礦井得到重點(diǎn)推廣。利用井下直流電法探測含（隔）水層厚度、導(dǎo)水構(gòu)造與通道，進(jìn)行富水性評(píng)價(jià)和突水預(yù)測預(yù)報(bào)，取得了相當(dāng)良好的應(yīng)用效果。

楊莊煤礦3622工作面6為底板砂巖裂隙，太灰?guī)r溶十分發(fā)育，灰?guī)r含水豐富，風(fēng)巷掘進(jìn)過程中揭露小型斷層多條，多處底少量出水，具有底板突水的潛在威脅。采用井下直流電法探測巷道底板下60m內(nèi)含導(dǎo)水構(gòu)造、富水區(qū)分布發(fā)育特征，并對(duì)可能的突出地段進(jìn)行預(yù)測。圖1是富水異常剖面圖，有3處砂巖富水區(qū)，2處太灰富水區(qū)，并存在2處潛在太灰導(dǎo)水通道。圖2是煤底板下60m附近太灰內(nèi)部富水區(qū)平面分布趨勢圖，存在2處富水區(qū)域。礦方以富水區(qū)進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證，在推薦地段作了適當(dāng)?shù)牡装寮庸坦ぷ?，?duì)太灰水的突出起到積極預(yù)防作用。

　　

　　圖1 3622工作面風(fēng)巷富水異常剖面圖

　　

　　圖2 3622工作面太灰層段富水區(qū)平面分布圖

4 井下電法應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀與存在的問題

自20世紀(jì)50年代末開始，國內(nèi)先后有多家高等院校和科研院所開展井下直流電法的研究和試驗(yàn)工作，在基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)和井下電法儀器等方面均有一定發(fā)展。目前主要的工作方法有底板測深（確定含隔水層、尋找導(dǎo)水構(gòu)造探查評(píng)價(jià)富水性）、巷道間直流透視（工作面內(nèi)部富水性評(píng)價(jià)）和掘進(jìn)頭超前探測。由于直流電法有眾多分支，運(yùn)用起來比較靈活，現(xiàn)對(duì)其特點(diǎn)及適應(yīng)性歸納于表1。

　　

　　表1 礦井直流電法分支及其適應(yīng)性

基于對(duì)國內(nèi)井下直流電法研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，筆者認(rèn)為，作為礦井物探手段的重要分支，其研究和應(yīng)用中仍有以下幾個(gè)方面的工和需要努力：一是理論上要建立盡可能貼近井下實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬、巷道校正以期提高解釋精度；二是數(shù)據(jù)質(zhì)量，一切分析解釋都是建立在可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)據(jù)基礎(chǔ)之上，井下電法數(shù)據(jù)采集環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不僅要求井下儀器靈敏度抗干擾性強(qiáng)智能輕便耐用，而且迫切需要改進(jìn)施工方法技術(shù)，采取各種手段有解決諸如鐵軌、金屬支架、電機(jī)、浮煤厚、底板堅(jiān)硬接地因難、局部積水等因素造成的不利影響；三是發(fā)展掘進(jìn)頭超前探測，巷道掘進(jìn)過程中，經(jīng)常需要快捷準(zhǔn)確地探測前方構(gòu)造發(fā)育情況及其導(dǎo)水性，目前超前探測理論有待完善，地質(zhì)效果也不盡理想；四是井下直流電法可以利用多參數(shù)聯(lián)合解釋，并與其它物探方法配合，利用綜合物探手段提高探測的可靠性與準(zhǔn)確性。

4.2 發(fā)展前景

與其它地方物探方法相比，井下直流電法具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊發(fā)發(fā)展前景，隨著理論研究的進(jìn)一步深入、儀器性能的提高和工作方法的改進(jìn)，井下直流電法在預(yù)測水文地質(zhì)災(zāi)害方面一定能發(fā)揮其獨(dú)待作用。

　5小結(jié)

　本文以楊莊煤礦的水文地質(zhì)特點(diǎn)為例論述了水害突發(fā)的特點(diǎn)，具一定的程度的代表性，并進(jìn)一步論述了適合該類礦區(qū)的太灰水害探測的有效手段——井下直流電法的方法特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展前景，以期對(duì)該方法的研究應(yīng)用工作和類似楊莊煤礦的太灰水害探測防治工作有所啟示。