楊雙文
(山西汾西瑞泰正中煤業(yè), 山西 靈石 031300)
水害是威脅煤礦安全生產的重大災害之一,嚴重危脅煤礦安全生產和礦工的生命安全。近年來,煤礦透水事故頻繁發(fā)生,造成了重大的人員傷亡和財產損失,如:2010年3月28日,華晉焦煤集團王家?guī)X礦發(fā)生透水事故涌水量達14萬m3,造成38人遇難和重大的經濟損失;2012年5月14日6時許,山西左權縣某礦井發(fā)生透水事故,涌水量達5萬m3,造成礦井停產半個月。以上兩起事故都是因采空區(qū)積水不明,資料不準確造成的??梢姡瑴蚀_探測煤礦井下采空區(qū)積水及含水層富水性并有效治理水害已成為煤礦安全生產的重要工作[1]。
山西汾西瑞泰正中煤業(yè)礦井自2012年以來采用瞬變電磁技術進行了大量的綜合物探工作,取得了較好的效果。生產實踐及應用表明,物探技術在探查老窯采空區(qū)和掘進工作面迎頭前方地質構造、探測含水層富水性及隱伏導水構造等方面是一種簡捷、有效的手段。
礦井物探是利用自然界各種巖石和礦層在密度、磁化率、電阻率、彈性、放射性等物理性質上的差異[2],采用專門儀器探測其天然或人工的地球物理場(如重力場、磁場、電場、彈性波場、放射性場等)的變化,依據(jù)物理參數(shù)與圖解分析,結合工作區(qū)地層、構造以及巖石物理力學性質等資料,判斷引起這些異常的原因,對地質體的形態(tài)、產狀、空間位置等作出定性或定量的解釋,以達到解決地質問題的目的[3]。
瞬變電磁法(Time Domain Electromagnetic Method)簡稱TDEM或TEM,是通過不接地回線源通或接地電偶源以脈沖電流激勵大地后,觀測地下感生的二次電流場的一種探測方法[4]。接受線圈的探測在水平方向觀測分11個點依次從巷道左幫變化角度到右?guī)?。每一個探測點至少分3次探測,分別是巷道的頂?shù)装搴拖锏谰蜻M方向,探測示意圖見圖1。
圖1 瞬變電磁法探測示意圖
由于賦煤巖系成層分布,各巖層電阻率不同,當前采用的裝置形式在井下巷道空間中進行超前探測時,線圈與巖層的耦合方式發(fā)生改變,由原來的平行層理變成垂直層理,進而一次場的激發(fā)方式由原來的垂直層理變成平行層理,一次場激發(fā)方式的改變帶來瞬變場分布與擴散方式的改變[5]。因此,須根據(jù)平行層理激發(fā)方式的瞬變電磁場傳播的基本理論來應用瞬變電磁超前探測技術[6]。儀器在探測過程中的磁異常變化示意圖見圖2。
圖2 儀器在探測過程中的磁異常變化示意圖
瞬變電磁超前探測主要在井下巷道中進行,能夠觀測到全空間各個方位的地電信息[7]。探測工作的核心是摸清異常體位置,異常體可能位于掘進工作面左前方、正前方、右前方、上前方以及下前方等不同位置,只有認清異常體與發(fā)射、接收裝置不同幾何關系下的瞬變電磁場響應特征,才能準確實現(xiàn)異常體的空間定位。
山西汾西瑞泰正中煤業(yè)井田構造形態(tài)基本上為單斜構造,致使煤層呈嚴重不連續(xù)的急傾斜條帶狀分布狀態(tài),構造極為復雜,對該地帶煤層破壞極為嚴重,井田南北寬3.3 km,東西長約3.67 km,總面積為8.36 km2。井下水源分為以下4種:1) 2上、2下號煤層礦井充水含水層主要為煤層頂板及以上砂巖裂隙含水層和西部煤層露頭大氣降水,其補給條件差,以大氣降水為主。2) 2上、2下號煤層在井田內存在采空區(qū)積水,其采空區(qū)位置和積水范圍已初步圈定,積水量也進行了預測估算。3) 下組煤層的主要充水含水層為太原組石灰?guī)r裂隙含水層,其補給以大氣降水補給為主,其次是上覆含水層側向補給,弱富水性。4) 9#至10#下煤帶壓開采面積較大,水源主要為太原組石灰?guī)r裂隙含水層與奧灰?guī)r含水層。
圖3 12上01切眼掘進工作面示意圖
瞬變電磁探測結果圖見4,從圖4可以看出,12上01切眼掘進工作面迎頭頂板、前方及底板100 m范圍內的積水情況。探測結果表明:12上01切眼掘進工作面(口前22 m處)位置斜向上15°、水平和斜向下15°三個方向100 m范圍沒有明顯的低阻異常。
a) 斜向上15°方向電阻率結果
b) 水平方向電阻率結果
c) 斜向下15°方向電阻率結果
經常規(guī)鉆探驗證,探測區(qū)域無涌水,前方及兩邊無采空區(qū)。
采用瞬變電磁超前探測法探測回風下山(穿層)迎頭頂板、前方及底板100 m范圍內的積水環(huán)境。基本地質情況為:回風下山工作面現(xiàn)在太原組中段地層中掘進,煤(巖)層走向為65°,傾向為155°,傾角為18°,工作面巖性為泥巖、砂質泥巖互層,層理較發(fā)育。頂部有K3、K4石灰?guī)r含水層,底部有K2石灰?guī)r含水層,探測地點(回風下山)距離上覆2#煤采空區(qū)53 m,回風下山掘進面示意圖見圖5。
圖5 回風下山掘進面剖面示意圖
探測結果表明:1#低阻異常位于水平方向,與同軸線夾角偏右50°范圍內,距離掘進工作面30~70 m,2#低阻異常位于斜向下15°方向,與同軸線夾角偏右50°范圍內,距離掘進工作面30~70 m。3#低阻異常位于斜向下30°方向,與同軸線夾角偏右50°范圍內,距離掘進工作面30~70 m。
本次探測的異常區(qū)域明顯見圖6,大致位于巷道掘進正前方,回風下山巷道所屬地層K2灰?guī)r和K3灰?guī)r之間的平均8 m的細粒砂巖,層理較為發(fā)育。
a) 水平方向電阻率結果
b) 斜向下15°方向電阻率結果
c) 斜向下30°方向電阻率結果
巷道掘進方向偏右30°方向孔鉆進至30 m處,鉆孔的出水量加大(大于正常鉆進時鉆孔的出水量)。巷道前方地層的節(jié)理裂隙較發(fā)育,存在構造導水,水量較小(K2、K3含水層均屬弱含水層),無水頭壓力。
根據(jù)探測結果,生產過程中通過增加水泵,更換口徑較大的排水管路,保證隨時排水。巷道掘至H8點前106 m處出現(xiàn)底板涌水,最大涌水量約11 m3/h(大水量>20 m3/h),現(xiàn)涌水量約2 m3/h。水質化驗結果為太灰(K2、K3)水,此處層理、裂隙較發(fā)育,判斷為太灰?guī)r含水層水通過裂隙導入掘進工作面。
1) 采用瞬變電磁超前探測法探測12上01切眼掘進工作面及回風下山頂板、前方及底板100 m范圍內的積水情況。結果表明,瞬變電磁法在地面探測低阻地質體(巖溶、裂隙、含水構造及富水性)的效果明顯。
2) 瞬變電磁法已在我國許多煤礦得到應用,該礦實踐應用結果表明,它是一種經濟、高效的物探新技術,在煤礦生產中發(fā)揮了積極的作用,取得了較好的物探效果。它不是單一的井下物探手段,需與鉆探工作相結合來完成井下探放水工作,并結合地質、水文、鉆探等資料綜合分析,提高物探資料解釋的準確性,更好地服務于生產。
[1]張勝業(yè),潘玉玲.應用地球物理學原理[M].武漢:中國地質大學出版社,2004:79-82.
[2]盛圣圣,牛之璉.一維層狀大地的瞬變電磁測深正演計算[J].煤田地質與勘探,1991,19(6):53-57.
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[4]陳明生,閆 述,石顯新,等.二維地質體的瞬變電磁場響應特征[J].地震地質,2001(06):23-24.
[5]劉向紅,陳競先,李江平.礦井瞬變電磁基本原理和探測方法概述[DB/OL].[2012-10-13]. http://www.kjwt.cn/Kxs/Html/2009-7-17/41.html.
[6]劉樹才,劉志新,姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應用[J].中國礦業(yè)大學學報,2005,34(4):414-417.
[7]于景邨,劉志新,劉樹才.深部采場突水構造礦井瞬變電磁法探查理論及應用[J].煤炭學報,2007(8):818-821.