王 鋼

(鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 017000)

引言

奧灰導(dǎo)水通道對(duì)煤礦的安全回采存在極大的威脅，在足夠厚的底板隔水層條件下，能承受住奧灰水力。然而在構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)域，很有可能存在垂向?qū)严叮瑢?dǎo)通奧灰含水層，造成工作面突水事故[1-2]。2018年9月1日開始實(shí)施的《煤礦防治水細(xì)則》要求：探查陷落柱等垂向構(gòu)造時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)采用物探、鉆探兩種方法。先采用直流電法或者瞬變電磁法超前探測(cè)迎頭前方的富水異常區(qū)，然后鉆探根據(jù)物探成果對(duì)迎頭前方及煤層底板下方進(jìn)行探測(cè)。直流電法超前方向性較弱，探測(cè)范圍非常有限[3]；施工巷道空間有限、環(huán)境復(fù)雜，對(duì)瞬變電磁法影響較大[4]；鉆探成果較為可靠，可若鉆孔布設(shè)過多，往會(huì)造成資源浪費(fèi)，甚至可能形成新的垂向通道；布設(shè)過少，對(duì)垂向通道發(fā)育規(guī)律的推斷有很大局限性。因此如何利用井下巷道的分布，合理的進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)的對(duì)垂向通道進(jìn)行探測(cè)，是奧灰?guī)合锏腊踩蜻M(jìn)的關(guān)鍵問題[5-6]。

面對(duì)上述難題，筆者利用已有巷道對(duì)即待掘進(jìn)巷道進(jìn)行礦井瞬變電磁法探測(cè)，并引用電感校正的技術(shù)對(duì)巷道瞬變曲線進(jìn)行校正；同時(shí)將礦井瞬變電磁與鉆探結(jié)合，施工孔中瞬變電磁法對(duì)鉆孔周邊地質(zhì)情況進(jìn)行三維的定位，更精準(zhǔn)的探測(cè)垂向通道的發(fā)育規(guī)律[7-8]。

1 礦井瞬變電磁法處理技術(shù)

礦井瞬變電磁法為了達(dá)到探測(cè)距離，所采用的均是多匝發(fā)射和接收線圈[9]。在激發(fā)電場(chǎng)情況下，就會(huì)導(dǎo)致線圈的自感和互感比較嚴(yán)重，對(duì)瞬變電磁法早期的數(shù)據(jù)影響較大，關(guān)斷時(shí)間增加，引起瞬變電磁法探測(cè)的淺層資料無法處理，從而造成對(duì)整體數(shù)據(jù)的解釋難度[10]。

從地面均勻半空間瞬變電磁法[11]出發(fā)，觀測(cè)參數(shù)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為：

(1)

式中，E為觀測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，μ0是真空中的磁導(dǎo)率，M為發(fā)射磁矩，q為接收磁矩，ρ為電阻率，t為時(shí)間[12]。

從公式中可以看出觀測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電阻率3/2成反比，與時(shí)間5/2成反比，對(duì)比大框和小框觀測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線如圖1。

圖1 瞬變電磁法觀測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比圖

對(duì)上圖發(fā)現(xiàn)，多線圈小框感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線發(fā)生明顯變化，特別是早期1ms之前曲線；另外圖1b中曲線的數(shù)值較圖1a中數(shù)值大了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這是線圈之間的自感和互感造成了關(guān)斷時(shí)間過長(zhǎng)，過渡狀態(tài)下的一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的疊加，引起了信號(hào)的抬升，并造成早期曲線的畸變，對(duì)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)整體的解釋造成非常大影響。

(2)

式中S為導(dǎo)線的截面面積，c為觀測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度和發(fā)射電流比例系數(shù)(H/I)，I為發(fā)射電流，t為采樣時(shí)間。

因此，實(shí)測(cè)礦井瞬變電磁法感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E減去自感和互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)才為真實(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

ET=E-E′

(3)

如此便校正了礦井瞬變電磁法曲線。

2 孔中瞬變電磁法

孔中瞬變電磁法的基本原理與瞬變電磁剖面法一致，區(qū)別在于施工方式和資料解釋手段不同。

孔中瞬變電磁剖面探測(cè)是將發(fā)射線框與接收探頭一同送入鉆孔中，逐點(diǎn)進(jìn)行三分量測(cè)量[13]：順鉆孔方向的磁場(chǎng)垂直分量Z分析鉆孔周圍可能存在的低阻異常區(qū)，垂直于鉆孔向右水平分量X和垂直鉆孔向下水平分量Y分析定位低阻異常的方位，從而實(shí)現(xiàn)以鉆孔為中軸的圓柱形三維立體探查成果。探測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 孔中瞬變電磁剖面探測(cè)示意圖

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果[14]，可以通過孔中瞬變電磁法二次場(chǎng)的水平分量過零點(diǎn)和垂直分量峰值判斷異常體的深度；通過水平分量的形態(tài)判斷異常體的方位；通過矢量交匯法判讀異常體的準(zhǔn)確距離；最后采用擬地震處理方法實(shí)現(xiàn)電阻率反演成像。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中西部，主采煤層頂板上覆多層中粗砂巖含水層，煤層底板下伏奧陶系灰?guī)r含水層，井田內(nèi)已通過三維地震圈出了疑似巖溶陷落柱與斷層。龍王溝煤礦奧灰水位在+870m，下伏奧灰承壓含水層使全井田煤層處于帶壓狀態(tài)，由于奧灰含水層富水性不均一，巖溶發(fā)育地段富水性強(qiáng)，當(dāng)遇斷層、陷落柱等構(gòu)造時(shí)，灰?guī)r水存在通過垂向?qū)畼?gòu)造及隔水層薄弱地段向煤層出水的可能。

6煤輔運(yùn)大巷巷道底板標(biāo)高810m左右，低于奧灰水文標(biāo)高，屬奧灰?guī)壕蜻M(jìn)，巷道掘進(jìn)位置現(xiàn)位于繞曲帶軸部，裂隙相對(duì)發(fā)育，且奧灰?guī)r層富水性較強(qiáng)。

3.1 礦井瞬變電磁法成果

據(jù)上述條件，設(shè)計(jì)采用了物探先行、鉆探驗(yàn)證的方式。由于輔運(yùn)大巷干擾較大，改由旁側(cè)主運(yùn)大巷進(jìn)行瞬變電磁法超前探測(cè)。采用瞬變電磁法對(duì)巷道迎頭前方100m附近的低阻異常區(qū)，采用電感校正技術(shù)處理成果。瞬變電磁法本次施工探測(cè)三個(gè)方向：順層、俯角30°和垂向方向：發(fā)現(xiàn)2處明顯相對(duì)低阻異常區(qū)。1號(hào)異常位于迎頭正前方20～40m，在三個(gè)方向上均有反映；2號(hào)異常位于迎頭左前方，其核心位置在巷道迎頭前方50～80m、偏輔運(yùn)大巷附近，順層與俯角30°均有反映。且1號(hào)異常與2號(hào)異常有聯(lián)通趨勢(shì)。見圖3。

圖3 礦井瞬變電磁法成果圖

3.2 鉆探探查初步成果

根據(jù)礦井瞬變電磁法的成果鉆探施工5個(gè)(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)，鉆孔平面和剖面位置見圖4，5個(gè)孔均出現(xiàn)不同程度的出水(表1)，水壓為0.4MPa，接近奧灰水壓，其中Z2和Z3出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。從鉆探和物探資料分析認(rèn)為輔運(yùn)大巷迎頭前方存在裂隙發(fā)育，塌孔區(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育較大區(qū)域，但5個(gè)孔均存在出水現(xiàn)象，說明裂隙發(fā)育導(dǎo)通奧灰水，且發(fā)育規(guī)律復(fù)雜，嚴(yán)重威脅巷道的安全掘進(jìn)。

3.3 孔中瞬變電磁法成果

鉆探的單孔局限性未將裂隙發(fā)育規(guī)律探明，設(shè)計(jì)采用孔中瞬變電磁法探查裂隙帶的平面和垂向發(fā)育位置，為注漿工程提供靶區(qū)。

表1 鉆孔參數(shù)一覽表

為孔中瞬變施工鉆孔WT，孔中瞬變電磁法成果見圖4?？字兴沧冸姶欧ǔ晒@示在開孔距離40～60m，距離鉆孔10～15m存在一處低阻異常區(qū)，根據(jù)方向角成果顯示該低阻異常位于鉆孔的右下方，對(duì)裂隙帶發(fā)育實(shí)現(xiàn)了三維定位。

3.4 注漿及驗(yàn)證成果

根據(jù)孔中瞬變電磁法對(duì)裂隙帶三維定位，施工了ZJ孔，穿透異常區(qū)，單孔注漿量超過20t，注漿壓力6MPa。

為檢測(cè)注漿的效果，施工Y1和Y2孔，該兩孔的出水量均小于1m3/h，且在施工中存在白色液體從孔中冒出，推斷為ZJ孔注漿漿液，說明注漿已經(jīng)將裂隙充填。

后掘進(jìn)顯示該區(qū)域6煤輔運(yùn)大巷順利安全掘進(jìn)。

4 結(jié)論

①在探測(cè)垂向?qū)ǖ罆r(shí)，不可盲目的物探和鉆探，應(yīng)根據(jù)實(shí)際井下施工條件，進(jìn)行有針對(duì)性的工程方案設(shè)計(jì)，方能解決面臨的水文地質(zhì)問題，并能保證安全、工期以及經(jīng)濟(jì)效益。

②瞬變電磁法對(duì)低阻敏感，礦井瞬變電磁法由于“陰影效應(yīng)”，造成1和2號(hào)聯(lián)通和范圍較大的假象，采用孔中瞬變電磁法能避免該問題。

③孔中瞬變電磁法更精準(zhǔn)的定位裂隙帶的發(fā)育縱向和橫向位置，為裂隙帶的打鉆注漿提供了靶區(qū)，并避免盲目的鉆探造成新的導(dǎo)水通道的可能，是一種值得推廣的探測(cè)垂向?qū)ǖ赖募夹g(shù)。