张瑞春
北京天地华泰矿业管理股份有限公司
摘要：由于传统方法对极近距离煤层上覆采空区积水推测存在较大的误差，为此提出极近距离煤层上覆采空区积水推测方法研究。首先利用瞬变电磁探测仪对上覆采空区进行测量，获取到上覆采空区相关水文地质数据，然后对数据进行量化处理，最后通过对上覆采空区积水数据分析，推测出上覆采空区积水量，以此完成极近距离煤层上覆采空区积水推测。经实验证明，设计方法推测误差小于传统方法。
关键词：极近距离煤层；采空区；瞬变电磁探测仪；
0引言
极近距离煤层上覆采空区积水一直是困扰煤矿安全开采的关键问题之一，由于极近距离煤层上覆采空区内矿柱数量较少，且支撑力不足，由于受到开采工作的干扰和影响，非常容易损坏掉上覆采空区岩土结构，当上覆采空区内部岩土结构发生破坏，会导致周围含水层内水资源沿着裂隙涌入到采空区，进而引发涌水、突水等水文地质灾害[1]。结合水文地质与实际现场情况分析，如不提前了解极近距离煤层上覆采空区积水量，并采取相应防水措施，当上覆采空区工作面顺槽掘进时必须边探放采空区水边施工，会严重影响煤矿开采施工进度及施工安全，因此对上覆采空区积水推测是非常有必要的。目前对于上覆采空区积水推测采取的方法主要以人工测量估计为主，这种方法不仅要求技术人员具有极高的上覆采空区积水推测经验和技术，而且推测结果具有一定的主观性，导致传统方法具有较高的误差，已经无法满足上覆采空区积水推测需求，因此提出覆采空区积水推测方法研究，为此极近距离煤层上覆采空区积水推测提供理论依据。
1极近距离煤层上覆采空区积水推测方法
1.1基于瞬变电磁探测仪测量极近距离煤层上覆采空区
为了快速提取到极近距离煤层上覆采空区积水数据，采用瞬变电磁探测仪对上覆采空区进行测量，瞬变电磁探测仪是利用电磁信号在采空区岩层、水体等介质中传播速度的快慢以及接受电磁信号的强弱判断上覆采空区赋存的介质，用于计算上覆采空区积水面积，其测量过程如下[2]。首先需要对测量点进行布置，测量点的布置采用两种布置方式，第一是在极近距离煤层巷道设置测量点，其主要收集到上覆采空区连通的各个巷道积水数据[3]。第二是在上覆采空区的左右两侧布置测量点，主要收集到采空区积水以及围岩等电磁波介质数据[4]。将瞬变电磁探测仪布置在测量点处，保持水平平衡，并且根据上覆采空区积水测量需求，对瞬变电磁探测仪各个参数进行设置，其中将电磁波波长设置为152nm，将电磁波信号发射频率设置为5.64Hz，将测量周期设置为0.5s，将扫描速度设置为1550nm/s，将扫描频率设置为8.48Hz[5]。最后通过人为在巷道和采空区内移动，发射和接收电磁线圈，接收到上覆采空区测量数据，生成上覆采空区积水超前探测实测剖面图。
1.2极近距离煤层上覆采空区积水特征提取
在上文基础上，通过数据处理和量化提取到上覆采空区积水特征。首先将上覆采空区测量数据中重复的、无效的、无关的数据进行删除，然后采用GeoIPAS V3.2软件对电磁数据进行网格化，生成上覆采空区网格化数据集。GeoIPAS V3.2软件网格化对各电磁波数据集进行的处理详细如下：采用自然邻点法进行网格化，步长450m。当网络小格数据大于或等于2个时，用平均值对该小格进行赋值，将每个网络小格各电磁波的数值归网至该小格中心点处。最后在网格化处理完成后对各个点的电磁波数据进行量化处理，其量化公式如下：
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（1）
公式（1）中，表示极近距离煤层上覆采空区测量实际数值；表示量化系数，通常取值为2.5；表示极近距离煤层上覆采空区各个点测量的电磁波数值。利用上述公式将所有测量得到的电磁波信号进行量化，提取到极近距离煤层上覆采空区积水特征。
1.3极近距离煤层上覆采空区积水量计算分析
根据上文提取到的上覆采空区积水特征，判断上覆采空区和各个巷道是否存在积水，如果采集到的上覆采空区围岩电磁波信号存在空挡，或者发生段波，则表示上覆采空区存在积水，再根据上覆采空区积水特征量化值对极近距离煤层上覆采空区积水量进行计算，其计算公式如下：
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（2）
公式（2）中，为极近距离煤层上覆采空区积水量；为存在水力联系的煤层采空区积水量；为与极近距离煤层上覆采空区连通的各个巷道积水量。公式（2）中存在水力联系的煤层采空区积水量计算公式如下：
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（3）
公式（3）中，表示为充水系数，根据煤矿采空区充水系数经验值，充水系数取值为0.2；表示为极近距离煤层上覆采空区的平均岩层厚度；表示为极近距离煤层上覆采空区的水平投影面积；表示为极近距离煤层倾角。公式（2）中，与极近距离煤层上覆采空区连通的各个巷道积水量计算公式如下：
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（4）
公式（4）中，表示为积水巷道原有面积；表示为巷道积水长度。利用公式（3）和公式（4）分别求出存在水力联系的煤层采空区积水量和与极近距离煤层上覆采空区连通的各个巷道积水量，在根据两个积水量的求值利用公式（2）求出最终的极近距离煤层上覆采空区积水量，以此完成对极近距离煤层上覆采空区积水的推测。
2实验论证分析
实验以王家塔煤矿为实验对象，实验利用此次设计方法与传统方法对该矿井采空区积水进行推测。实验步骤如下：第一步，收集实验煤矿基础信息，王家塔矿井3-1煤与2-2下煤南二盘区层间距2～14m，属于极近距离煤层，采空区正常涌水量约150m3/h；第二步，选择合适的仪器设备，并确定匝数线圈，实验中瞬变电磁法探测仪采用边长为1.5m长的长方形线圈，激发线圈数量为8匝，接收线圈为25匝，实验布置5个侧面，25个测点，第三步，运用瞬变电磁探测仪测量上覆采空区，生成实测剖面图；第四步，离煤层上覆采空区积水特征提取；第五步，计算积水量。
设计方法推测到5个矿井采空区积水以此为66.3万m3、58.4万m3、48.1万m3、68.1万m3、85.4万m3，实验对两种方法的推测结果进行记录，并将其与实际值对比，计算出两种方法的推测误差，将其作为实验结果，对两种方法进行对比分析，实验结果如下表所示。
表1两种方法推测误差对比（m3）
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从上表中可以看出，此次设计方法推测误差小于传统方法，并且小于最大允许误差，因此实验证明了此次设计方法具有较高的推测精度，相比于传统方法更适用于极近距离煤层上覆采空区积水推测。
3结束语
此次在传统方法基础上对其进行创新和改良，提出一套新的极近距离煤层上覆采空区积水推测理论，在一定程度上提高了极近距离煤层上覆采空区积水推测精度和效率，对此极近距离煤层上覆采空区积水推测具有一定的借鉴价值，有效提高了此极近距离煤层上覆采空区积水推测方法的有效性和可靠性等适用价值。
参考文献
[1] 张瑜. 官地矿采空区及采空区积水分布特征研究[J]. 江西煤炭科技,2020(02):94-97+101.
[2] ]李柬谷. 地面-巷道瞬变电磁法探测采空区积水的应用[J]. 陕西煤炭,2020,39(01):155-159+135.
[3] 刘鹏程. 瞬变电磁探测法在采空区积水探测中的应用分析[J]. 能源与节能,2020(04):147-148.
[4] 郭绍华. 矿井瞬变电磁技术在金谷煤矿探测老空水中的应用[J]. 煤炭与化工,2020,43(05):51-54.
[5] 王宸光,郭恒. 瞬变电磁法探测煤矿采空区技术应用[J]. 低碳世界,2019,9(03):40-41.