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福州华虹智能科技开发有限公司华东办事处 主任工程师 祝云飞
山东能源临沂矿业集团田庄煤矿 南锦玉 尚洪祥 贾延坤
一、矿井概况田庄煤矿位于济宁高新区王因镇境内，1997年3月建矿，2002年11月正式投产，核定生产能力90万吨/年。矿井采用主、副、风井三个立井开拓、两个水平开采、中央并列式通风，井田面积32.07km2。中部马家楼支三、支四断层将矿井分为东西两翼，东翼为一水平、标高为-167m，西翼为二水平、标高-256m;矿井主采石炭系上统太原组16层煤和17层煤，平均厚度分别为1.2m和0.97m，层间距平均为6.4m。
二、水文地质条件
田庄井田主要含水层有：第四系上组、下组砂及砂砾层，石炭系太原组第十下层石灰岩与本溪组第十四层石灰岩，奥陶系石灰岩。直接充水含水层为太原组第十下层石灰岩;各含水层与第四系下组在露头区有直接的补给关系。本溪组第十三、十四灰石灰岩上距十下灰平均间距34.96m，下距奥灰平均间距8.20m。在构造附近(尤其导水断层)，三者可发生水力联系。
田庄井田水文地质条件复杂，开采煤层与强含水层奥灰之间层间距较小，井田内构造发育，断裂构造密集，水害因素复杂。2010年8月，16煤8602中顺槽掘进中，曾揭露断层导致奥灰突水，突水量达到900m3/h。实际生产证实，仅靠传统地质手段已无法达到指导安全生产的预期目的，应采用物探、钻探、巷探和化探等方法查清工作面内断层、陷落柱和含水层富水性等情况。
三、田庄矿选用的物理勘探技术
物理勘探技术投入少、见效快、效率高，煤矿应用该技术查明地下导水通道及水源、煤层顶底板水及老窑采空区的分布情况方面已发挥越来越大的作用，将物理勘探技术与传统地质方法相结合，进行综合探查，是治理水害最有效的途径之一。
物理探测技术中的瞬变电磁探测，利用发射一次脉冲电磁场，观测二次涡流场，测量二次场变化规律，测得测区内各地点的富水情况;电磁波对高阻层的穿透能力强，对低阻层有较高的分辨能力;能反映顶、底板范围内水情;信噪比高，准确度高;仪器轻便，重量在7kg左右，现场采集数据3人便可完成。物理探测技术中的井下震波探测通过在现场人工激发地震波，在附近记录不同岩层分界面传播过来的反射波，测得各地层分界面或构造面的空间位置极其性质。对现场空间要求不高，速度快，掘进面每次只需20分钟，实测时2～3人即可完成;能够探查采掘工作面前方、巷道两帮、巷道顶底板等地层中构造的位置、形态、走向等。经过对多种物探技术对比分析后，我们认为瞬变电磁探测技术和井下震波探测技术能够查明井下地质构造及测区内顶底板水情及富水区异常情况，两种技术综合使用，将进一步提高我矿水情探测结果的准确性。
四、物理勘探技术的应用
地质勘探资料和三维地震物探成果是矿井安全生产的基础，在此基础上还需利用电法探测技术进一步查明生产区域内构造发育情况和水情水患等，真正做到水文分析、预测预报、隐患排查、超前探测和隐患治理等。
(一)掘进巷道超前探测
我们针对矿井西翼二水平水文地质条件复杂的实际情况，在东翼一水平严守“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字方针，在西翼二水平则“逢掘必探”。以7601中顺槽为例，我们通过使用瞬变电磁探测技术和井下震波探测技术相结合的方式，选用福州华虹智能科技开发有限公司生产的YCS40(A)矿用瞬变电磁仪，在7601中顺槽横向上分别为-90°、-75°、-60°、-45°、-30°、-15°(左)、0°、15°(右)、30°、45°、60°、75°、90°七个方向，同时向迎头斜上30°、顺层和迎头斜下45°等3个角度分别探测，具体布置情况如下图1所示：
图1 7601中顺槽瞬变电磁施工布置示意图
同时选用该公司生产的地震类仪器KDZ1114-6A30矿井地质探测仪，在7601中顺槽迎头位置，单点探测采集30组数据后，进行反射共偏移法探测，再采集20组数据。
图2 7601中顺槽迎头地震波法探测布置示意图
图3 7601中顺槽迎头瞬变电磁探测结果
图4 7601中顺槽迎头地震波法综合探测结果
将上述两种物理勘探方法得出的分析结果综合成最终成果，转换成将上述两种物理勘探方法得出的分析结果综合成最终成果，转换成AutoCAD版平面图，并填绘在采掘工程平面图上(如图5所示)，指导生产。
图5 7601中顺槽迎头综合探测结果
综合探测结果显示，在探测点前方共出现3组构造异常信号，位置分别在迎头前方的12m、29.9m和48.2m;探测点前方20～30 m存在一处富水性一般的顶板水。随后，我们针对上述探测结果进行了钻探验证，钻探验证结果与物理勘探技术探测结果基本相似。后经揭露，巷道掘进至11m附近时岩性破碎;掘进至29.4m处揭露落差为2.1m的断层，同时顶板淋水，对现场巷道施工的影响不大;掘进至44.6m时揭露落差为5.7m的断层，该断层无含导水情况，与探测结果基本吻合。截止目前，我矿已对二水平(-256m)15个掘进迎头进行了超前探测，安全掘进总进尺达4000多米。(二)5604工作面底板水探查
5604面自2010年12月25日开始回采，2011年1月5日推采32m后，老空区顶板全部冒落。1月21日，工作面推采75m，老空区顶板局部悬空，对应底板不同程度鼓起，早8时，老空区出水，流向采煤面前及巷道超前段，初始水量22.5m3/h，连续观测48小时，水量稳定;水质化验与底板十四灰水质相符。21日上午，集团公司领导来矿到井下5604面现场观察，综合分析后确定为底板下伏十四灰承压含水层出水，请福州华虹智能科技开发有限公司技术人员来矿，对5604工作面老空区进行瞬变电磁法探测，详细查找出水点具体位置，进一步确定出水水源。
5604工作面位于5602面的南侧，5604下顺槽与5602上顺槽为同一条巷道，老空区底板出水，探测的主要对象为5604面老空区底板方向的富水性。沿老空区附近的5602上顺槽和5604下切眼布设了2条测线，每条测线按照5m间距布设探测点，每个探测点分别进行三个方向的探测，三个方向分别为左斜上面内顶板方向、垂直底板向下、左斜下向面内底板方向。瞬变电磁探测总体布置如图6所示，探测点的的布置方式如图7所示;两测线的探测范围存在重叠区域，可提高探测的准确性。
图6 5604下面探测现场布置示意图
图7 单个测点线框的布置示意图
根据上述布置方式，采用华虹智能科技开发有限公司生产的YCS40(A)矿用瞬变电磁仪现场采集数据，软件处理分析，得到5602上顺槽(同时为5604下顺槽)和5604下切眼两条测线的视电阻率值剖面图，共得到6个方向上的视电阻率值剖面图，如下图8、图9所示：
图８ 5602上顺槽探测结果
图９ 5604下切眼探测结果
图10 综合探测结果
图11 钻孔注浆设计图
五、田庄矿对矿井物探技术的认识
掘进工作面开工前，采用物理勘探技术，在掘进巷道掌子面利用矿井瞬变电磁仪和地质探测仪，分别对掘进前方进行超前物理探测，每次探测长度80～120m，查明前方及四周(上下前后)50米内的水情水害，包括顶板水、底板水、断层构造水、钻孔导水、裂隙或裂隙带导水、陷落柱导水等各种水情分布、异常区域赋存位置、突水可能性，查明探查区内的褶曲、断层等各类构造和地质异常体等，提交综合探测成果报告;针对报告提供的富水性异常区域和报告指出的潜在出水点，编制探查设计，组织钻探队伍，进行超前钻探验证，根据验证情况采取注浆、疏水降压或留设防水煤柱等方法进行治理;治理完成后，进行再次探测，如探测还存在异常区域时，继续进行治理，直至水患完全排除后，方才正常掘进。巷道掘进至距当次探测前沿20m时，开展下一次探测，以保证每两次相邻的探测有重叠的区域。
工作面回采前，首先利用瞬变电磁探测技术和井下震波探测技术，探查工作面开采区域及外围至少30米内煤层顶板水情，和煤层底板下20～45m、45～100m深度段含水层发育程度、富水性异常分布范围、走向及含水性强弱等情况;探测煤层底板下100m范围内隔水层厚度、含水层厚度，探查含水、导水构造及潜在导水、突水通道;对探测范围内含水性异常的位置、范围及含水性相对强弱进行有效解释。根据探测的成果图纸和探查报告，编制工作面水害治理方案，对物理探测的异常位置进行钻探查明、验证。根据验证结果采取注浆封堵导水通道、改造底板隔水层、疏水降压或留设防水煤柱等方法，治理水害隐患。注浆改造治理后再次利用瞬变电磁和震波探测技术，对治理效果进行再次验证，确定水情无异常后方才进行开采。
“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”是煤矿防治水工作的原则，矿井物探方法有着投入少、见效快、效率高的特点，将在煤矿开采前查明地下导水通道及水源、煤层顶底板水及老窑采空区的分布情况方面发挥越来越大的作用。同时，我们得出这么一个认识，矿井物探只是煤矿解决实际生产工作的一种地质辅助手段，矿井物探手段不可或缺但不能代替钻探，需要根据物探反馈的异常区域进行有目的、有方向的钻探工作。
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