張衛(wèi)軍

(神寧集團(tuán)麥垛山煤礦)

用瞬變電磁法探測麥垛山煤礦疑似封閉不良鉆孔

張衛(wèi)軍

(神寧集團(tuán)麥垛山煤礦)

麥垛山煤礦以往地質(zhì)勘探施工的個別鉆孔由于封閉不良，導(dǎo)通了直羅組底部砂巖含水層而引發(fā)突水，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。故采用瞬變電磁法(Transient electromagnetic method,TEM)對該礦130604工作面機(jī)巷和輔助運輸巷范圍內(nèi)的疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行了超前探測，判斷其封閉可靠情況，并分別采取了相應(yīng)措施，有效保障了井巷安全掘進(jìn)。

瞬變電磁法 封閉不良鉆孔 超前探測

麥垛山煤礦130602工作面2#風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中，由于以往地質(zhì)勘探施工的2504鉆孔封閉不良，導(dǎo)通了直羅組底部砂巖含水層水而造成突水，最大突水量達(dá)到400 m3/h，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。在130604工作面機(jī)巷和輔運巷附近賦存的9個地質(zhì)勘探鉆孔中，由于早期施工的鉆孔存在封閉不良現(xiàn)象或存在事故鉆孔，該類鉆孔可將煤層頂、底板各含水層溝通，當(dāng)巷道掘進(jìn)或工作面回采揭露該類鉆孔時，含水層中的水可能會通過該類封閉不良鉆孔進(jìn)入工作面，其水害具有突發(fā)性和隱蔽性，是礦井安全生產(chǎn)的重要水災(zāi)隱患。為此，本研究采用瞬變電磁法[1-3]對其中6個疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行超前探測，判斷其封閉可靠性及富水性，在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施，保障井巷安全掘進(jìn)。

1 井下瞬變電磁法工作原理

1.1 原理特性

瞬變電磁超前探測方法又稱為時間域電磁法，具有探測方向性強(qiáng)、分辨率高、探測距離遠(yuǎn)、對低阻區(qū)含水體敏感、施工快速、布置靈活等優(yōu)點，可全方位探測巷道頂板、底板、側(cè)幫和掘進(jìn)迎頭前方等方向構(gòu)造破碎帶的位置、含水巖層的賦水性情況[4-6]。YCS2000礦用瞬變電磁儀采用偶極裝置進(jìn)行探測，發(fā)射線框和接收線框為2個獨立的線框。探測時主機(jī)與發(fā)射機(jī)的間距一般大于2 m。礦井瞬變電磁法超前探測是將發(fā)射線框、接收線框垂直放置于掘進(jìn)工作面后方(圖1)，轉(zhuǎn)換不同角度則可探測掘進(jìn)頭前方或側(cè)方一定范圍內(nèi)電阻率的分布情況，據(jù)此推斷巷道掘進(jìn)工作面前方是否存在含水異常體。

圖1 TEM超前探測裝置布置

1.2 工作方法

本研究超前探測采用橫向、縱向2種扇形探測方式。橫向扇形探測方式首先使發(fā)射線框、接收線框的法線方向垂直于巷道左幫進(jìn)行探測；然后在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線框，使線框的法線方向由巷道左幫每隔一定角度向右?guī)托D(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至垂直巷道右?guī)蜑橹?，形成一個橫向的扇形測線，反向旋轉(zhuǎn)亦可(圖2(a))?？v向扇形探測方式首先使發(fā)射線框、接收線框的法線方向垂直于巷道頂板進(jìn)行探測；然后在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線框，使線框的法線方向由巷道頂板每隔一定角度向底板旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至垂直巷道底板為止，形成一個縱向的扇形測線，反向旋轉(zhuǎn)亦可(圖2(b))。

圖2 礦井瞬變電磁法探測方式

1.3 瞬變電磁法工程設(shè)計

由于物探方法存在多解性和系統(tǒng)誤差，故本研究設(shè)計采用物探手段探測封閉不良鉆孔的成果僅能為鉆探提供一個相對準(zhǔn)確的靶區(qū)，在此基礎(chǔ)上需采用鉆探方式進(jìn)一步驗證物探成果的準(zhǔn)確性。

(1)測量。使用OS-602G全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測量及鉆孔定位，測角精度2″，測距精度(2+2×10-6×D)(D為測距)mm。

(2)物探。超前探測6次，探測長度1 800 m，側(cè)幫探測2次，探測長度600 m，施工物探點390個。

(3)鉆探。施工探查鉆場6個，鉆孔17個，鉆探工程量1 280 m，安裝止水套管340 m。據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，超前探查過程中超前距與幫距可按下式計算

式中，L為幫距與超前距，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

2 工程應(yīng)用

采用側(cè)幫數(shù)據(jù)采集法，分別采集了水平方向、仰角10°方向和仰角20°方向視電阻率等值線3個斷面，其中水平方向視電阻率等值線斷面如圖3所示。3003鉆孔采用超前探測方式，巷道頂板30°方向低阻異常等值線、順層方向低阻異常等值線、底板30°方向低阻異常等值線如圖4所示，其他鉆孔采用類似方法進(jìn)行超前探測。

圖3 輔運巷側(cè)幫水平方向視電阻率等值線斷面

圖4 3003鉆孔施工平面

側(cè)幫沿探測深度方向視電阻率整體呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢，距輔運巷90～120m范圍內(nèi)存在多處低阻異常區(qū)，2403鉆孔超前探測時，視電阻率整體變化趨勢為高—低—高，在靠近輔運巷位置各有一處低阻異常區(qū)。經(jīng)鉆探驗證，低阻異常區(qū)終孔涌水量均小于1 m3/h，鉆孔少量涌水為6#煤層頂板砂巖含水層水，在有效探查區(qū)域范圍內(nèi)排除存在封閉不良鉆孔的可能。在巷道實際掘進(jìn)過程中，已安全通過探查區(qū)域。

3003鉆孔瞬變電磁超前探測預(yù)報迎頭前方20～100 m范圍內(nèi)頂板30°、順層和底板30°方向各存在一處低阻異常區(qū)，命名為A異常區(qū)。異常強(qiáng)度沿頂板30°—順層—底板30°方向呈逐漸減弱的變化特征，異常范圍基本一致。頂板30°方向迎頭前方30～60 m附近存在一局部異常，異常強(qiáng)度強(qiáng)。結(jié)合已有探測資料，迎頭前方50 m處附近存在3003鉆孔，恰好位于頂板30°方向A異常區(qū)迎頭前方30～60 m位置的局部異常邊界附近，推斷A異常區(qū)可能為3003鉆孔漏水使附近巖層相對富水或相應(yīng)位置裂隙發(fā)育局部富水的反應(yīng)。該段巷道在掘進(jìn)過程中制定了安全掘進(jìn)方案，并采取了安全技術(shù)措施，在3003鉆孔3 m范圍內(nèi)，幫錨桿眼出現(xiàn)37 ℃的淋水，涌水量達(dá)3 m3/h，驗證了A異常區(qū)的存在，根據(jù)水溫判斷3003鉆孔下部封孔不良，可判定該鉆孔為封孔不良鉆孔。

3 結(jié) 語

以麥垛山煤礦130604工作面為例，對該工作面機(jī)巷和輔助運輸巷范圍內(nèi)的疑似封閉不良鉆孔采用瞬變電磁法進(jìn)行了探測，有效發(fā)現(xiàn)了封孔不良鉆孔，并采取了相應(yīng)的安全措施，基本控制了封閉不良鉆孔的水害威脅，保障了井巷掘進(jìn)安全。

[1] 侯世占.桑樹坪煤礦11#煤層底板水文地質(zhì)探查方案[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(8)：230-232.

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[5] 馬俊學(xué)，陳 劍，滕永波.金屬礦山巷道地球物理超前預(yù)報方法研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].金屬礦山，2016(4)：1-12.

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2016-08-01)

張衛(wèi)軍(1972—)，男，高級工程師，750408 寧夏銀川市。