硫磺沟煤矿复杂采空区导水通道的综合探查

硫磺沟煤矿复杂采空区导水通道的综合
探查
摘要：由于地下采空区隐蔽且条件复杂，因此采空区探查一直是亟待解决的
问题。

以硫磺沟煤矿复杂采空区导水通道探查工程为背景，分析了矿井异常涌水
的特征及原因，分析确定老采空区是可能导水通道。

对复杂老采空区导水通道进
行综合探查：首先利用地面瞬变电磁法、井地ERT探测法等多种物探技术方法确
定富水异常区；再次通过小间距钻探工程（间距4m）实地揭露发现多个采空区导
水通道；最后通过示踪试验确定了与井下连通的关键导水通道。

采用上述方法，
准确探查出硫磺沟煤矿采空区关键导水通道位置，为后续治理工程提供了依据。

关键词：复杂采空区；综合探查技术；物探探测；小间距钻探；示踪试验
煤炭是我国主体能源，在未来相当时间内仍将继续占据支配地位[1-2]。

西北矿
区煤层普遍埋深浅，以往煤层开采不规范导致浅部煤层受到不同程度开采，形成
大小、形状不一的老空区。

这些老空区与地表水存在较强水力联系，其内均积有
一定数量的地下水。

由于老空区位置一般都很隐蔽，形状很不规则，深度和层位
不一，大小各异，探查难度大，特别是与地表水相连通时，极易造成大型突水事
故[3]。

因此，采空区导水通道探查是重中之重。

目前，国内外主要采用物探的方法对地下采空区进行探查，包括瞬变电磁法、地震波法等。

通过对物探数据反演分析，可以直观的探查到采空区的位置及分布
范围，因此被广泛使用[4]。

如李文[5]采用探地雷达法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震法等多种物探手段，对煤矿采空区进行了探查；王振荣[6]等采用地空时
间域电磁系统对采空区异常区域进行了探查；冀致森[7]采用三维地震仪探查了老
采空区的位置以及矿井积水情况。

由于地质条件的复杂性，仅利用物探手段并不能精确的探查出导水通道的位置。

本文以硫磺沟煤矿复杂采空区导水通道探查工程为背景，提出了基于综合物探、钻探工程探查、示踪试验相结合的综合探查技术理念与方法，为解决复杂采空区导水通道探查问题提供新思路。

1工程背景
硫磺沟煤矿位于昌吉市南50km，乌鲁木齐西40km。

井田北部为天山北麓，地貌以台地为主，主要受地质构造作用及河水的侵蚀作用影响。

地形北高南低，沟谷较多，如图1所示。

区域内地层岩性以砂岩、泥岩为主，富水性弱，形似挡水墙，阻隔了地层之间的水力联系。

第四系近代冲洪积层厚度薄，只见于沟谷河床区域。

主要含煤段为中侏罗统西山窑组，揭露厚度为112.51～193.78m。

矿区东部边缘为头屯河。

该河流流量随季节变化大，6~7月份流量最大，可以达到100m3/s。

头屯河床基底为煤系地层，若在此区域出现坍塌坑后，地表河水将通过塌陷直接补给煤系地层，造成突水事故。

因此，本区地下水与地表水之间联系密切。

图1 硫磺沟煤矿地形地貌及地表水系图
2矿井老空区异常涌水特征及原因分析
2007年10月～2010年7月，硫磺沟煤矿井下+943 m密闭处老空区涌水量一直在400 m3/d左右。

2010年7月头屯河流域老空区大面积垮落，河水向老空区大量补给，致使头屯河断流2小时，造成河对岸煤矿淹井，同时硫磺沟煤矿井下+943m密闭处老空区涌水量增大，涌水量在1000m3/d左右。

随后的几年里，+943 m排水点涌水量明显增加，且表现出明显的季节性，见图2。

图2 +943m排水点2010~2012年涌水量曲线图
通过对以往的数据分析及野外调查，分析推测异常涌水通道主要包括以下几方面：
（1）老采空区/废弃巷道
硫磺沟煤矿周围查明的老窑共有12个，矿区及周围尚有诸多无资料查明的老窑，各个煤矿井下乱采乱掘与地面图纸无法对应，以至于硫磺沟矿区老空区范围混乱不清，条件极为复杂。

在头屯河河床开挖过程中揭露了部分老窑巷道（图3），这些废弃巷道/采空区成为老空水的主要补给途径。

图3 老窑巷道与河道联系图
（2）塌陷坑
由于受到长期的风化变形，采空区破坏严重，多处形成塌陷坑。

调查发现的塌陷多达10处，其中矿区及周边有7处塌陷，头屯河河床内有3处塌陷。

河床范围内卵砾石含水层下部老采空区由于变形塌陷，导致上部含水层与老空区形成
特殊的富水单元，沟通下伏地层与头屯河的直接联系，头屯河水通过下部第四系含水层直接渗透到煤系地层。

3地球物理勘探圈定富水异常区范围
物探手段受场地环境和地质条件的影响较大，单一物探结果往往难以精准的确定富水区域位置。

通过采用多种物探手段，多种探查结果相互验证是目前常用的方法之一。

因此，采用瞬变电磁物探与井地ERT探测的方法对矿区富水区域进行了探测，通过对探测结果进行综合分析，最终确定了强富水区和弱富水区范围（图4）。

图4 瞬变电磁与井地ERT勘探圈定富水异常区范围
4小间距钻探工程揭露发现多个老空区/巷道导水通道
在物探圈定的两条主要强富水区域及周边，进行小间距（4m）钻探工程，以切实揭露采空区、巷道等导水通道分布的情况。

根据富水区域分布范围及矿区与头屯河位置关系，共布设了T1线、T2线两条探查线，各个探查孔终孔层位位于9-15煤层底板下0.5m，如图5所示。

图5 小间距探查钻孔平面布置示意图
施工的探查孔共揭露3个采空区及5个巷道，以T2线中段为例，根据钻探
结果可以得到钻孔剖面图（见图6），从图中可以直观的观察到采空区位置。

图6 T2线采空区钻探剖面示意图
5示踪试验确定关键导水通道
将膨润土在注浆站制成膨润土浆，用注浆管接到钻孔孔口。

第一次试验在T2
线进行，投注1.5小时后，在井下+943 m观测点观测到含有膨润土浆的变色涌水，有力地证明了T2线采空区与硫磺沟煤矿+943 m排水点存在水力联系。

第二次试
验在T1线钻孔进行，在投注结束后3h内未发现含有膨润土浆的变色涌水。

两次示踪试验结果表明，T2线采空区（图6）与+943m采空区有明显的水力
联系，T1线采空区与+943m采空区未检出水力联系。

综上，可以确定与+943m排水点有显著水力联系的是T2线采空区，故T2采
空区为关键导水通道。

6结论
（1）总结了硫磺沟煤矿井下+943m排水点异常涌水的特征，即涌水量随季节
发生变化，在雨季水量明显增加。

（2）分析了矿井涌水量增大的原因，主要是头屯河水通过老采空区/废弃巷道、塌陷坑等导水通道进入井下，从而引起井下排水点涌水量明显增加。

（3）提出复杂采空区综合探查技术理念与方法，即首先利用地面瞬变电磁法、井地ERT探测法等多种物探技术方法确定富水异常区范围；然后通过小间距
钻探工程（间距4m）揭露发现导水通道；最后通过示踪试验确定关键导水通道。

（4）利用上述方法，准确探查出硫磺沟煤矿老空区导水巷道位置，确定关
键导水通道为T2线采空区，为后续治理工程提供依据。

参考文献:
[1] 刘炯天．关于我国煤炭能源低碳发展的思考[J]．中国矿业大学学报(社
会科学版)，2011，13(01)：5-12．
[2] 倪维斗，陈贞，李政．我国能源现状及某些重要战略对策[J]．中国能源，2008，30(12)：5-9．
[3] 刘瑞新，周沛洁．新疆硫磺沟煤矿水害分析与治理[J]．中国煤炭地质，2015，27(04)：39-42+62．
[4] In-Molee, Jae-Sung Lee, Seok-Woo Nam. Effect of seepage force
on tunnel stability reinforced with mufti-step pipe
grouting.Tunnelling and underground Space Technology 19(2004): 551-565.
[5] 李文．煤矿采空区地面综合物探方法优化研究[J]．煤炭科学技术，2017，45(01)：194-199．
[6] 王振荣，程久龙，宋立兵，等．地空时间域电磁系统在陕西神木地区煤
矿采空区勘查中的应用[J]．地球科学与环境学报，2020，42(06)：776-783．
[7] 冀致森．地震勘探对探测小窑采空区的可行性研究[J]．矿业快报，2007(05)：80-81.。