楊 磊

(河南平寶煤業(yè)有限公司)

物探鉆探相結(jié)合防治煤系砂巖水

楊 磊

(河南平寶煤業(yè)有限公司)

利用瞬變電磁方法、直流電法等物探方法對煤層頂板砂巖進行探測，對探測的異常區(qū)域再進行針對性的打鉆驗證，為煤礦水害防治提供可靠的水文地質(zhì)資料。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可以分析評價某一地質(zhì)區(qū)域巖層的富水性，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

物探 鉆探 煤系砂巖水 瞬變點磁法 直流電法

首山一礦井田位于平頂山市東北，距平頂山市25 km，行政區(qū)劃隸屬于許昌市襄城縣。井田西以溝李封斷層為界與十三礦相鄰，東至55#勘探線，北以靈武山向斜軸及己15-17煤層-1 000 m(戊9-10煤層-850 m)底板等高線為界，南以李口向斜軸及己16-17煤層-1 000 m(戊9-10煤層-850 m)底板等高線為界。井田東西走向長6.6 km，南北傾斜寬4～4.6 km，面積約27 km2。井田主體構(gòu)造為一軸向320°寬緩的白石山背斜，其南、北翼分別是李口向斜北翼和靈武山向斜南翼，地層傾角8°～20°(南緩北陡)，14條斷層中12條集中于溝李封斷層附近。井田地質(zhì)構(gòu)造屬中等偏簡單。主采戊9-10和己16-17 (含己15)煤層為中厚及厚煤層，厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。礦井水文地質(zhì)條件為中等類型，正常涌水量為405.34 m3/h，最大涌水量為486.41 m3/h，目前實際涌水量為160 m3/h。

首山一礦己煤上倉帶式輸送機巷位于井田中北部7#勘探線附近，該巷道自主井下馬頭門處以0°方位向北施工，施工處上部裝載硐室后按16°下山掘進至-750 m水平，總長1 060 m。巷道掘進將依次穿過 17-1煤、13-1煤、F10斷層、7-1煤、6-1煤、5煤等層位。煤系砂巖水是巷道掘進過程中的直接充水水源。目前巷道已施工至己煤頂板砂巖段，該區(qū)域己煤頂板砂巖的賦水性不清，采用物探超前探測技術(shù)，查明該區(qū)域己煤頂板砂巖的賦水性，對物探解釋的異常區(qū)采取了有針對性的打鉆放水措施，保證了己煤上倉帶式輸送機巷的安全高效掘進。

1 物探探測技術(shù)原理及方法

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法或稱時間域電磁法，利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，將有一個過渡(衰減)過程，該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況[1-3]。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢，便得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)基本原理見圖1。

圖1 良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)原理

1.1.2 電法超前探測

礦井直流電法以礦井中巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條件下建場，采用點源法在地下巷道中進行電法測量，地下電流通過布置在巷道內(nèi)的供電電極，在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場，測量該電場的變化規(guī)律，使用全空間電場理論對數(shù)據(jù)進行處理和解釋，便可發(fā)現(xiàn)巷道周圍巖石中引起電場變化的水文、地質(zhì)構(gòu)造等規(guī)律，從而確定巖、礦體物性(如貧、富水區(qū)域)的分布規(guī)律或地質(zhì)構(gòu)造(如斷層、裂隙發(fā)育區(qū))特征[4-6]。

1.2 工作方法

1.2.1 瞬變電磁探測

為了查明己煤上倉帶式輸送機巷迎頭掘進前方巖層的富水性情況，根據(jù)實際采掘條件，將發(fā)射線框和接收線框垂直放置于巷道掌子面后方，轉(zhuǎn)換不同角度可探測掘進頭前方或側(cè)方一定范圍內(nèi)的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷巷道掘進頭前方是否存在含水異常體。在迎頭進行超前探測，探測方向為沿巷道方位左右偏移45°的扇形區(qū)域，發(fā)射及接收線圈的傾角范圍，見圖2。

圖2 瞬變電磁超前探測范圍示意

1.2.2 電法超前探測

根據(jù)不同的探測目的，電法探測可以采用多種工作裝置形式。井下探測通常應(yīng)用對稱四極測深裝置、三極測深裝置和多點三極超前探裝置(兩點源法、三點源法)。以三點源法為例，在巷道中設(shè)A、B兩極為供電點，其中B點設(shè)在無窮遠(5～10倍的探測距離或者更遠)處，便形成了以A點為中心穩(wěn)定的球形電場。設(shè)3個不同球形電場A1、A2、A3(見圖3)，在巷道后方距供電電極一定距離，布置2個測量電極M、N(與掘進工作面附近供電電極呈直線分布，M、N間距1～8 m)測量電場中M、N間的電位差。

圖3 礦井電法超前探測布置示意

固定M、N電極的位置，對A1、A2、A3所有供電電極分別單獨供電時所建立的地下電場進行測量，可以得到3組與前方巖層相關(guān)的視電阻率。在巷道掘進頭附近固定3個供電極，設(shè)定1個合理的間距，在巷道后方每隔一定距離移動MN電極進行測量。施工時每移動一次MN，則A1、A2、A3分別觀測1組數(shù)據(jù)，電極B布置于距離迎頭無窮遠處，經(jīng)過軟件處理，消除其他方向上的干擾，得到前方切點處的視電阻率。連續(xù)觀測便得到工作面前方不同距離處介質(zhì)的視電阻率變化曲線，含水地層的巖石視電阻率會大大降低，依視電阻率變化情況可以推測出工作面前方水文地質(zhì)情況是否存在異常。

2 探測工程量及成果

2.1 探測工程量

此次超前探測共完成6個斷面方向的探測，每個斷面探測9個方向，探測工程量見表1。

表1 掘進迎頭超前探測工程量

2.2 探測成果

2.2.1 瞬變電磁法

在巷道前方頂板仰角40°斜面0～100 m巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映，地層不含水或含水性極弱，見圖4(a)。在巷道前方頂板仰角20°斜面0～30 m和80～100 m巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映；30～80 m巖層視電阻率略低，反映巖層的巖性變化，由地層局部極弱含水引起，對巷道掘進無影響，見圖4(b)。在巷道底板俯角20°斜面0～20 m和65～100 m巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映；20～65 m巖層視電阻率略低(25～45 m段相對更低)，由地層局部弱含水引起，見圖4(c)。在巷道底板俯角40°斜面0～15 m和65～100 m巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映；15～65 m巖層視電阻率略低(18～50 m段相對更低)，由地層局部含水引起，見圖4(d)。在巷道迎頭豎直面上，0～20 m和50～100 m巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映，地層不含水或含水性極弱,見圖4(e)；20～50 m巖層局部視電阻率略低，由地層局部極弱含水引起,見圖4(f)。

2.2.2 直流電法超前探測

巷道前方10～20 m地層局部電阻率比正常地層低，判斷為受已掘巷道底板積水影響，對掘進影響不大；巷道前方20～55 m巖層局部電阻率比正常地層略低，判斷是由地層局部含水引起；巷道前方55～ 100 m 巖層視電阻率相對較高，為正常巖層反映，地層不含水或含水性極弱，見圖5。

圖4 己煤上倉帶式輸送機巷迎頭瞬變電磁法超前探測成果

圖5 己煤上倉帶式輸送機巷迎頭電法超前探測成果

3 鉆探驗證

針對物探解釋的相對低電阻率區(qū)域，設(shè)計了4組鉆孔進行打鉆驗證，該鉆孔一方面作為水文孔進行探放水，另一方面可作為地質(zhì)孔控制地質(zhì)層位。鉆孔的工程量及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 鉆孔相關(guān)參數(shù)及出水情況

對施工的4#孔物探解釋的相對低阻異常區(qū)進行了探測，當(dāng)施工到23 m處時，最大出水量為 20 m3/h，打鉆驗證結(jié)果和物探報告解釋一致。根據(jù)物探及鉆探資料，分析己煤上倉帶式輸送機巷己煤層頂板砂巖層的水文地質(zhì)情況為局部富含水，且為靜處量的承壓水。

4 結(jié) 語

利用物探做先導(dǎo)，根據(jù)物探資料解釋成果，有針對性的進行鉆探驗證，提前對煤系砂巖地層富水區(qū)進行打鉆疏放，可有效避免巷道集中出水事故的發(fā)生。實踐證明，物探與鉆探相結(jié)合有助于防治煤系砂巖水。

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2014-12-05)

楊 磊(1981—)，男，工程師，452670 河南省襄城縣紫云鎮(zhèn)。