康 健

( 黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江省哈爾濱市，150022)

礦井水害一直是威脅工人生命和企業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素。由于地下含水層、相鄰礦井老采空區(qū)以及陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬拥鹊拇嬖冢瓜锏阑蚬ぷ髅娓浇暮w難以準(zhǔn)確探測(cè)。而鉆孔探水方法的探水距離有限、工作效率低、工作強(qiáng)度大等缺陷，使礦井水害治理的難度倍增。近些年來，我國著手研究適用于礦井的瞬變電磁法(TEM)，目的在于探測(cè)分布于巷道或工作面附近的目標(biāo)，更主要的目的是試圖解決礦井水害的超前探測(cè)問題，已取得了很多有價(jià)值的成果。牛之璉等先后對(duì)TEM勘探原理、數(shù)值計(jì)算、正反演等方面做了大量研究，并在油氣勘探、水文地質(zhì)研究、煤田勘探、采空區(qū)含水性等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；占文鋒等運(yùn)用礦井TEM分別對(duì)采空區(qū)、工作面回風(fēng)巷頂板進(jìn)行水體探測(cè)，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果提出了防治水的合理建議；楊海燕等在對(duì)全空間核函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了全空間全區(qū)視電阻率的核函數(shù)算法；許洋鋮等根據(jù)斜階躍關(guān)斷二次場感應(yīng)電壓表達(dá)式，提出采用“雙煙圈”理論對(duì)瞬變電磁全期視電阻率進(jìn)行計(jì)算和解釋，為全程瞬變電磁探測(cè)及解釋提供理論支持；其他學(xué)者對(duì)地—井瞬變電磁響應(yīng)特征、瞬變電磁正演和反演以及數(shù)據(jù)的解釋等方面進(jìn)行了更加深入的研究，以求得到更加準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果。

目前，瞬變電磁法勘探在煤礦采空區(qū)探水、巖層特征探測(cè)等方面應(yīng)用較廣，但往往在探測(cè)過程中只進(jìn)行地面半空間探測(cè)或礦井全空間探測(cè)，由于視電阻率等值線圖中的視電阻率是相對(duì)的，在半空間與全空間探測(cè)中的結(jié)果相差很大，不僅不能準(zhǔn)確反映威脅礦井含水體的尺寸，而且也不能對(duì)煤礦含水體的形成、補(bǔ)給水源、水害形成機(jī)制等進(jìn)行全面有效地分析。

本文基于瞬變電磁法，將地面半空間探測(cè)與井下全空間探測(cè)相結(jié)合，準(zhǔn)確確定含水體的空間位置、尺寸以及含水體圍巖裂隙或?qū)當(dāng)鄬拥姆植迹治隽说V井水害的形成機(jī)制，抓住主要因素，制定出切實(shí)可行的礦井水害防治方案。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是指電磁波的一次脈沖向地層發(fā)射并傳播電磁波，發(fā)射源瞬間斷電，在一次脈沖電磁場間歇期間，應(yīng)用接收線圈接收二次感應(yīng)形成的渦流場，通過信號(hào)的解釋、處理等，分析帶有地層物理性質(zhì)的信號(hào)，分析出前方未知區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)等，用這種探測(cè)技術(shù)來解決有關(guān)地質(zhì)問題，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的目的。

基本工作方法是：在地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流；斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。通過測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

2 工程背景

雞西市三鑫源煤礦位于雞西市恒山區(qū)西南，所處位置均為山地，周圍存在多處采空區(qū)，礦井涌水量較大?？碧絽^(qū)為山地地形，井口高程+406.8 m，現(xiàn)最深開采水平為+239.3 m，淋水較嚴(yán)重的下山巷段垂深為130 m。探測(cè)巷段與含水體330 m高程切片相對(duì)位置如圖1所示，背景為地面半空間瞬變電磁探測(cè)+330 m視電阻率等值線水平切片圖，紅色閉合區(qū)域?yàn)楹w大致范圍，黑色區(qū)域?yàn)榈V井全空間瞬變電磁探測(cè)區(qū)域，該區(qū)域位于+260 m水平附近。

圖1 探測(cè)巷段與含水體330 m高程切片相對(duì)位置圖

3 含水體空間位置的確定

根據(jù)瞬變電磁法勘探的地質(zhì)任務(wù)，地面探測(cè)采用大定源回線裝置，線框大小為460 m×660 m，測(cè)線為南北向布置，基本線距40 m，由西向東分別表示為500 E～620 E，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距20 m，每條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)由南向北表示為1160 N～1260 N；井下探測(cè)采用偶極裝置，點(diǎn)距為1 m，發(fā)射線框大小為1 m×1 m，共100匝，發(fā)射線框與接收線框相距10 m，且發(fā)射線圈與接收線圈共面。通過對(duì)原始采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)整理—轉(zhuǎn)換與檢查—數(shù)據(jù)處理—數(shù)據(jù)解釋，最終繪制二維視電阻率剖面圖，將二維視電阻率剖面圖經(jīng)過處理得到如圖2所示的視電阻率垂直剖面圖(圖中紅色粗線為含水體中心位置)，將井下視電阻率等值線圖經(jīng)過處理得到如圖3、圖4所示的巷道頂板、兩幫視電阻率等值線圖。

通過分析圖2～圖4，初步確定造成該巷段頂板淋水嚴(yán)重、兩幫涌水量大的含水體范圍為：地面測(cè)線500 E～620 E范圍內(nèi)為含水體東西展布，點(diǎn)號(hào)1160 N～1260 N為含水體南北展布；含水體位于巷道上方60 m，距巷道左幫15 m、巷道右?guī)?0～80 m為含水體部分；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達(dá)82 m，垂直兩幫方向展布達(dá)90 m，從+360 m延伸至+260 m。

圖2 地面半空間瞬變電磁探測(cè)視電阻率等值線垂直剖面圖

圖3 巷道1井下探測(cè)區(qū)域頂板視電阻率等值線圖

圖4 巷道1井下探測(cè)區(qū)域左、右?guī)鸵曤娮杪实戎稻€圖

4 水害產(chǎn)生的原因

通過對(duì)水體空間位置的分析，得出含水體內(nèi)含水量不大，但礦井涌水量較大。

測(cè)線540 E切片的視電阻率等值線圖如圖5所示。通過對(duì)圖5進(jìn)行仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：含水體通過兩條小斷層與地表直接連通，含水體與巷道通過一條小斷層連通?？紤]到地表為山地且植被茂盛，當(dāng)?shù)赜炅砍渑妫治稣J(rèn)為含水體是斷層1和斷層2地質(zhì)作用過程中形成的破碎帶，而且這兩條斷層構(gòu)成了與地表涵養(yǎng)水源的導(dǎo)水通道；斷層3與含水體也連通，但在開挖前該導(dǎo)水?dāng)鄬硬⑽囱由熘料锏牢恢?，由于巷道的開挖導(dǎo)致巷道圍巖破壞產(chǎn)生裂隙，并與斷層3連通。

圖5 540E測(cè)線切片視電阻率等值線圖

結(jié)合以上分析，含水體內(nèi)含水量不大，但由于與地表涵養(yǎng)水源相連通，導(dǎo)致了巷道1右?guī)陀克看螅锏理敯辶芩?，左幫涌水量相?duì)較小，而巷道2在該水平巷段內(nèi)未見頂板淋水和兩幫涌水。

通過對(duì)該煤礦礦井水文地質(zhì)條件和施工工程地質(zhì)條件的勘探與分析，得出造成該煤礦巷道1兩幫大量涌水、頂板淋水的主要地質(zhì)構(gòu)造因素為斷層1、斷層2和斷層3形成的導(dǎo)水通道；巷道1和巷道2的開挖形成的裂隙帶使導(dǎo)水通道與巷道貫通，斷層3直接連接了含水體與巷道，是含水體與巷道連通的主要導(dǎo)水通道，主要導(dǎo)水通道在距巷道1右?guī)图s45°方向20 m左右，該區(qū)域?qū)? m，該區(qū)域靜水壓力約為1.7 MPa。

5 水害防治

根據(jù)現(xiàn)場勘查、鉆孔查探等方法，最終確定在井下瞬變電磁探測(cè)位置分別沿巷道1向上延伸30 m、向下延伸10 m為注漿截流段。為防止巷道2內(nèi)將來也出現(xiàn)水害，確定在巷道2內(nèi)也采取注漿措施，確定在井下瞬變電磁探測(cè)位置分別沿巷道2向上延伸25 m、向下延伸10 m為注漿截流段。巷道斷面內(nèi)3個(gè)注漿鉆孔分別與水平面成15°、30°和45°夾角。注漿截流方案施工方案如圖6所示。

圖6 注漿截流方案施工示意圖

注漿截流方案施工后，巷道1內(nèi)兩幫不再涌水，頂板淋水現(xiàn)象消失，巷道2內(nèi)在鉆孔過程中有少許水量涌出，但在注漿完成后涌水現(xiàn)象消失。綜上所述，注漿截流取得了滿意的效果，同時(shí)驗(yàn)證了對(duì)瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果解釋的正確性。

6 結(jié)論

(1)依據(jù)瞬變電磁法原理，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，瞬變電磁法地面半空間、井下全空間探測(cè)確定威脅礦井水害的含水體位于井下探測(cè)區(qū)域的巷道上方40 m，距巷道左幫15 m、巷道右?guī)?0～80 m；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達(dá)82 m，垂直兩幫方向分布范圍達(dá)90 m。

(2)巷道1目前的涌水量過大，是由于其開挖形成的裂隙帶使導(dǎo)水通道與巷道貫通，斷層3與巷道2之間形成的裂隙帶是含水體與巷道連通的主要導(dǎo)水通道，主要導(dǎo)水通道距巷道1右?guī)图s45°方向20 m左右，該區(qū)域?qū)? m，該區(qū)域靜水壓力約為1.7 MPa。

(3)綜合考慮環(huán)境、施工等方面因素，對(duì)導(dǎo)水通道提出了注漿截流法水害防治方案，取得了滿意的效果，為今后瞬變電磁法勘探的應(yīng)用和礦井水害治理提供了參考。

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