牛亮紅
隨著時(shí)代變革與國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,工業(yè)化水平穩(wěn)步上升,對(duì)能源的需求也逐年增加。礦井開(kāi)采條件的日益復(fù)雜,礦井受水害的威脅更是日益嚴(yán)重,尤其對(duì)地質(zhì)條件特別復(fù)雜的資源整合礦井。本文以恒寶源煤業(yè)為例,實(shí)踐驗(yàn)證了一套礦井直流電法與瞬變電磁法探測(cè)結(jié)合鉆探超前探測(cè)驗(yàn)證的掘進(jìn)巷道超前探測(cè)技術(shù),探查巷道掘進(jìn)前方的導(dǎo)含水構(gòu)造(斷層),并對(duì)異常區(qū)進(jìn)行治理,為巷道安全掘進(jìn)提供可靠的地質(zhì)資料,為減少水害隱患有著不可估量的意義。
大同煤礦集團(tuán)恒寶源煤業(yè)有限公司是按照山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合工作領(lǐng)導(dǎo)組辦公室晉煤重組辦發(fā)【2009】21 號(hào)文件兼并重組整合而成的。礦井2011年4月18日開(kāi)始建設(shè),2014年9月28日完成礦井大驗(yàn)收正式轉(zhuǎn)入生產(chǎn)礦井。批準(zhǔn)開(kāi)采4#—11#煤層,生產(chǎn)規(guī)模90 萬(wàn)噸/年。2016年4月劃歸朔州煤電公司管理。礦井位于朔州市朔城區(qū)下團(tuán)堡鄉(xiāng)上磨石溝-白家窯村一帶,礦井東南距下團(tuán)堡鄉(xiāng)8 km,距大(同)—運(yùn)(城)二級(jí)公路10 km,距朔州市16 km,行政區(qū)隸屬朔州市朔城區(qū)下團(tuán)堡鄉(xiāng)管轄。
9#層2201 順槽布置在黨家廟保護(hù)煤柱南,井工業(yè)廣場(chǎng)北之間的溝谷荒坡,北部為平魯黨家溝煤礦,西部為露頭煤層風(fēng)氧化帶,東部與西沙河煤礦相鄰,南部為本礦工業(yè)廣場(chǎng)。本井田位于寧武煤田平朔礦區(qū)西部,總體為褶曲構(gòu)造形態(tài),位于本井田S1向斜,軸向近南北,向北傾伏,東翼地層傾角為11°-14°,西翼地層傾角為22°-45°。9#煤層屬穩(wěn)定煤層,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,平均厚度為13.65 m,含1~6層夾矸,夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖,總計(jì)夾矸厚度2 m,夾矸巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖,煤層凈厚度為11.56 m。該巷位于二采區(qū)9#煤層北翼,為9#層二采區(qū)8201 工作面皮帶進(jìn)風(fēng)順槽,其設(shè)計(jì)長(zhǎng)度879 m,坡度5°~10°,掘進(jìn)方位270°,南部為9#層5201回風(fēng)順槽,東部為二采區(qū)巷道和F2逆斷層。該巷道。服務(wù)年限至9#層8201工作面開(kāi)采結(jié)束為止。
瞬變電磁法是利用地殼中巖石與礦石的導(dǎo)電性差異為主要物質(zhì)基礎(chǔ),由不接地回線或接地線源(電極)通以脈沖電流做為場(chǎng)源,在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間,感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減,通過(guò)測(cè)量斷電二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng),從而達(dá)到了解介質(zhì)的電性變化情況的目的。
本次礦井瞬變電磁法勘探試驗(yàn)采用加拿大GEONICS公司的PROTEM CMX瞬變電磁儀施工,布置沿9#層2201 巷R14 點(diǎn)前43 m 處布置三個(gè)不同方向探測(cè)的測(cè)線,每條測(cè)線13 個(gè)物理點(diǎn),總計(jì)探測(cè)39 個(gè)物理點(diǎn)?,F(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)采用內(nèi)置12 V 電池,電流1.3 A,發(fā)射頻率25 Hz 發(fā)射框與接收框間距6 m;發(fā)射框尺寸1 m×1 m,接收線框?yàn)?D 線框。積分時(shí)間30 s,數(shù)據(jù)采集采用30門(mén)。數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果如圖1。
圖1 9#層2201巷R14點(diǎn)前43 m處超前探視電阻率探測(cè)
圖1為9#層2201 巷R14 點(diǎn)前43 m 處超前探視電阻率探測(cè)圖,分別為0°方向,斜向上15°方向,斜向下15°方向。圖中紅色虛線所圈范圍為低阻異常區(qū)。且圖中低阻異常區(qū)特征較強(qiáng),低阻異常范圍較大。
直流電法超前探測(cè)主要是依據(jù)單極—偶極電阻率法測(cè)量原理,利用單點(diǎn)電源A供電,另一供電電極B置于“無(wú)窮遠(yuǎn)”,點(diǎn)電源A 形成的等電位面為球面,通過(guò)觀測(cè)測(cè)量電極M、N 之間的電位差,該電位差為MN 所夾球殼內(nèi)巖體的綜合電性響應(yīng)。
圖2 直流電法超前探測(cè)
本次探測(cè)采用西安博深公司生產(chǎn)的YTD400(A)直流電法全方位物探儀,由于工作面迎頭有大量積水,對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)精確度有一定影響。且由于巷道距離不夠,只采集15 個(gè)物理點(diǎn)??碧皆囼?yàn)施工布置為,沿9#層2201巷R14點(diǎn)前43 m處掘進(jìn)頭布置測(cè)線1條,每條測(cè)線15 個(gè)物理點(diǎn),每個(gè)物理點(diǎn)探測(cè)3 次,總計(jì)探測(cè)45 個(gè)物理點(diǎn)。
圖3 數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果
圖3為9#層2201 巷R14 點(diǎn)前43 m 處超前探視電阻率探測(cè)圖,圖中紅色虛線所圈范圍為低阻異常區(qū)。圖中低阻異常區(qū)低阻異常特征較弱,低阻異常范圍較小。該處異常區(qū)疑為迎頭大量積水引起的低阻異常。
本次探測(cè)起點(diǎn)位置在巷道掘進(jìn)至94 m 位置。瞬變與直流電法探測(cè)結(jié)果分析,探測(cè)目標(biāo)區(qū)低阻異常區(qū)域特征較強(qiáng),結(jié)合水文地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況分析在迎頭前方45 m左右為巖層電性變化較明顯異常區(qū),重合異常區(qū)可能相對(duì)富水性大,可能為較大斷層等地質(zhì)構(gòu)造引起。需鉆探驗(yàn)證,并為后續(xù)施工探明條件。
施工鉆探地點(diǎn)在9#層2201 順槽巷掘進(jìn)工作面迎頭,采用ZYJ-800/190型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開(kāi)孔,電機(jī)功率22 kW,鉆桿使用直徑42 mm 鉆桿,開(kāi)孔采用65 mm鉆頭鉆進(jìn)。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 鉆孔參數(shù)
圖4 鉆孔鉆探施工布置
通過(guò)分析物探與鉆探的相吻合的結(jié)果,推斷9#層2201順槽在以270°方位掘進(jìn)到140 m~170 m處將揭露的落差50 m 左右的F10 正斷層,施工單位在過(guò)斷層時(shí)可據(jù)實(shí)探查結(jié)果及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)作業(yè)方案必要的采取措施加強(qiáng)支護(hù),并提前預(yù)備水泵等排水防水工作,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)前方隱伏含水導(dǎo)水構(gòu)造的超前預(yù)報(bào),防止在掘進(jìn)、回采過(guò)程中的誤判誤揭含水導(dǎo)水構(gòu)造而造成礦井突水、頂板冒落事故。
掘進(jìn)施工到預(yù)測(cè)位置時(shí),遇到頂板臨水加大,揭露的落差50 m 左右的F10 正斷層。在施工中采用直流電法和瞬變電磁法,為有掘必探依照“物探提供靶區(qū),鉆探驗(yàn)證”的思路,為后續(xù)的采掘施工探明地質(zhì)構(gòu)造、斷層條件,為防治水提供有力保障依據(jù)。解決施工掘進(jìn)的盲目性、未知性,有效提高了巷道超前探測(cè)的準(zhǔn)確性,保證了安全生產(chǎn)。