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引言
山西沁新煤業(yè)有限公司新源煤礦(以下簡(jiǎn)稱“新源煤礦”)位于山西省沁源縣沁河鎮(zhèn)新樂園村、賢友村、李元村、南山村及靈空山鎮(zhèn)后南溝、磨子坪一帶,行政區(qū)劃屬沁河鎮(zhèn)管轄。井田平面形態(tài)呈近長(zhǎng)方形,南北長(zhǎng)約5.4km,東西寬約3.8km,井田面積為18.9988km2, 批準(zhǔn)開采2#-11#煤,開采標(biāo)高自+980m至+470m,生產(chǎn)規(guī)模120 萬(wàn)t/a。
新源煤礦井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高+880m~+905m,而現(xiàn)階段回采的12214工作面位于井田南部最低處,開采標(biāo)高為+600m~+623m,工作面最大承壓可達(dá) 3.05MPa,且面內(nèi)發(fā)育 X100 陷落柱,存在奧灰突水威脅。按照《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求,新源煤礦與安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“惠洲院”)合作,引進(jìn)并行電法云監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過在12214工作面布置多種觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)工作面底板富水分布情況、底板破壞帶發(fā)育深度及回采期間X100 陷落柱活化發(fā)育情況進(jìn)行技術(shù)探查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),確保12214工作面安全回采。
工作面水文地質(zhì)情況
圖1 2號(hào)煤層帶壓開采分區(qū)與12214工作面位置關(guān)系圖
(一)大氣降水、地表水
12214工作面開采2號(hào)煤層,對(duì)應(yīng)地面無(wú)河流,且基巖厚度達(dá)300m左右,因此大氣降水、地表水對(duì)12214工作面回采幾乎無(wú)影響。
(二)頂板含水層水
頂板砂巖含水層組主要由K8、K9砂巖組成。K8砂巖為2號(hào)煤層頂板直接充水含水層,厚度為0.60-8.23m,平均厚 2.96m,單位涌水量0.0447L/s.m,巖性以中—細(xì)粒砂巖為主。K9 砂巖為2號(hào)煤層間接充水含水層,層間距為20-60m,K8、K9均屬弱富水性含水層,由于工作面回采頂板裂隙能夠溝通K8、K9等砂巖含水層水,因此K8、K9成為礦井充水的主要水源之一,涌水方式主要以淋滴水現(xiàn)象為主。
(三)底板含水層水
井田內(nèi)奧陶系含水層富水性為弱-極強(qiáng),水位標(biāo)高為+880-+905m, 12214 工作面回采范圍內(nèi)底板標(biāo)高為+600m-+623m,隔水層厚度 173m(參照Z(yǔ)K702 鉆孔),工作面最大承壓可達(dá) 3.05MPa,且面內(nèi)發(fā)育 X100陷落柱、F190、F191 實(shí)揭斷層以及DF8隱伏斷層等幾處潛在導(dǎo)水通道。因此奧陶系含水層水可能通過導(dǎo)水通道涌入12214工作面,易造成突水事故的發(fā)生。
并行電法云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
(一)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
并行電法云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于國(guó)家發(fā)明專利而研制的最新數(shù)字化產(chǎn)品,該系統(tǒng)采用高效率、大數(shù)據(jù)、泛裝置的地電場(chǎng)同步采集技術(shù),并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 傳輸、云端處理、深度學(xué)習(xí)等手段,推動(dòng)了直流電法由傳統(tǒng)單次探測(cè)功能向“遠(yuǎn)程采集、云端存儲(chǔ)、時(shí)變處理、動(dòng)態(tài)預(yù)警”方向轉(zhuǎn)變的新發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了“采集在現(xiàn)場(chǎng),傳輸在5G,存儲(chǔ)在云端,控制在手上,顯示在工地,深度處理在管理中心”的功能,為數(shù)字工程建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐。
(二)性能參數(shù)
系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,是一款本質(zhì)安全型及防爆產(chǎn)品。可在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作,實(shí)現(xiàn)全天候不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè),同時(shí)采集的電性參數(shù)豐富,采集頻率超高,數(shù)據(jù)全部自動(dòng)上傳云端進(jìn)行存儲(chǔ)和自動(dòng)處理,通過客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和下載。具體智能地電場(chǎng)參數(shù)有:
1. 電阻率:一次采集提供所有電法裝置的電阻率剖面成果圖,電阻率采樣頻率可達(dá) 5min/次(以 64 個(gè)電極為例),并可導(dǎo)出res 和AGI格式的反演文件。
2. 極化率:提供多個(gè)頻段的極化率剖面成果圖,采樣頻率可達(dá)5min/次(以 64 個(gè)電極為例)。
3. 自然電位:最小采樣間隔時(shí)間為 5s,進(jìn)行測(cè)線所有電極的自然電位數(shù)據(jù)采集。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況
(一)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置
根據(jù)12214工作面風(fēng)巷條件,在巷道內(nèi)靠外側(cè)采用挖溝的方式埋設(shè)2條電法測(cè)線,測(cè)線布置從Y3測(cè)點(diǎn)外5m至Y14測(cè)點(diǎn)內(nèi)25m位置(工作面回采進(jìn)尺850m~300m范圍),溝槽深度10cm,寬度15cm,溝槽長(zhǎng)度與電法測(cè)線一致,并在溝槽內(nèi)每間隔10m 布置一個(gè)電極孔,電極孔深15cm,孔徑Φ1cm。
第一條測(cè)線共布置32個(gè)電極,電極距為 10m,1#電極位于Y14點(diǎn)往切眼25m處、32#電極位于Y6測(cè)點(diǎn)往切眼10m。第二條測(cè)線緊接第一條測(cè)線進(jìn)行布置,共布置24個(gè)電極,電極距為10m,56#電極位于Y3點(diǎn)往外5m處(圖2、圖3)。
圖2 并行電法云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖(圖中藍(lán)線為測(cè)線,粉色點(diǎn)為測(cè)點(diǎn))
圖3 電極布置示意圖
(二)數(shù)據(jù)采集
觀測(cè)系統(tǒng)于2021年5月17日安裝完畢,井下采集系統(tǒng)位于12214風(fēng)巷Y3測(cè)點(diǎn)處側(cè)幫,通過井下局域網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器,自2021年8 月20日進(jìn)入X100陷落柱活化監(jiān)測(cè)測(cè)線范圍內(nèi)開始數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)采集工作,單日四次下發(fā)采集任務(wù),每6小時(shí)下發(fā)參數(shù)采集一次數(shù)據(jù),時(shí)間點(diǎn)分別為當(dāng)日02:00、08:00、14:00、20:00。
(三)監(jiān)測(cè)成果
數(shù)據(jù)采集工作自2021年8月20日開始,2022年4月20日結(jié)束,歷時(shí)8個(gè)月,累計(jì)采集有效數(shù)據(jù)605個(gè)。不同時(shí)段成果對(duì)比分析表明測(cè)線控制范圍內(nèi)富水異常區(qū)基本分布在12214 風(fēng)巷底板下方0-20m范圍,局部區(qū)域分布在底板下方0-60m范圍,為X100 陷落柱受工作面采動(dòng)影響底板裂隙發(fā)育,積水下滲所致,巷道底板下方60-150m范圍內(nèi)視電阻率值呈現(xiàn)高阻反應(yīng),說(shuō)明監(jiān)測(cè)階段X100陷落柱深部受到工作面采動(dòng)影響較小,柱體內(nèi)充填物膠結(jié)良好(圖4、5)。
圖4 2021年8月20日視電阻率剖面圖
圖5 2022年4月20日視電阻率剖面圖
結(jié)論
(1)并行電法監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示12214工作面回采期間底板采動(dòng)破壞帶深度為0-20m,采動(dòng)應(yīng)力超前影響距最大為27m。
(2)不同時(shí)段視電阻率剖面圖可以明顯看出由淺到深視電阻率值區(qū)別明顯,X100陷落柱下方0-60m范圍存在富水變化較大現(xiàn)象,表明淺部易受到工作面采動(dòng)影響,柱體內(nèi)充填物發(fā)生位移和破裂,裂隙發(fā)育,工作面采空區(qū)積水可通過裂隙下滲至柱體內(nèi),為富水影響階段;下方60-150m范圍保持高阻反應(yīng),說(shuō)明柱體內(nèi)充填物膠結(jié)良好,受工作面回采采動(dòng)影響較小,未產(chǎn)生發(fā)生位移和破裂,為富水無(wú)影響階段。
(3)并行電法云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了底板滲流電場(chǎng)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)對(duì)底板突水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警,可有效保障工作面安全開采。
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