高丁丁

(陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

礦井水害是嚴重威脅礦井生產的重要災害之一，如何對礦井水害進行超前管理、超前預判，確保工作面安全、高效生產就顯的尤為重要[1-3]。大佛煤礦40111工作面上覆為41106工作面采空區(qū)，根據“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的防治水原則，采用物探先行，鉆探驗證的思路，查明礦井水文地質情況[4-6]。目前，礦井對掘進工作面的水體賦存情況主要以鉆探為主，它能直觀反映所探查區(qū)域的水文地質信息，但是鉆探施工周期較長，具有一定的盲目性。瞬變電磁技術對巷道圍巖的探測具有不可比擬的效果，對施工位置具有較強的適應性，縱橫向分辨率高，探測方向性強，且具有施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點[7-9]，能夠對掘進工作面前方順層探測，也可以用于巷道側幫、煤層頂、底板等探測，為水文地質預測預報和水害防治提供技術手段和依據。

1 工程背景

1.1 礦井概況

大佛寺礦井位于咸陽市彬州市、長武縣境內，處于彬長礦區(qū)南部，大佛寺井田東西平均長16 km，南北平均寬6.5 km，面積71.293 1 km2，主采煤層為4號煤層，平均厚10.36 m；局部開采4上煤，平均厚約2.72 m，彬長礦區(qū)區(qū)域上地處華北板塊鄂爾多斯盆地南緣的彬縣—黃陵拗陷帶，北與慶陽單斜接壤，南與渭北斷隆帶的銅川凸起相接，大佛寺井田位于彬長礦區(qū)南部路家小靈臺背斜與彬縣背斜之間，總體表現為走向近EW，傾向近N的波狀單斜構造，在單斜構造背景上疊加了一系列NEE向與NNW向的寬緩褶皺構造并伴有小型斷裂構造，褶皺以NEE向為主，自北而南包含安化向斜、祁家背斜、師家店向斜，地層產狀的變化與褶曲構造有關，煤層傾角一般為3°～5°，僅在井田北部安化向斜南翼與祁家背斜北翼之間傾角較大，為17°～21°。斷裂以落差小于5 m的正斷層為主。地層產狀、構造類型、構造形態(tài)均說明本區(qū)侏羅系以上地層未經受強烈的構造擠壓和變形，構造以中等為主。

1.2 工作面概況

大佛寺煤礦40111工作面為401采區(qū)西翼第4個工作面，采用后退式走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面走向長度為1 860 m，傾向長度為220 m，面積為409 200 m2，40111工作面東部為4號煤大巷保護煤柱，西部4上煤為41201工作面采空區(qū)，4號煤為未采區(qū)。距采區(qū)邊界18 m，北側為40109工作面采空區(qū)，隔水煤柱留設寬度48 m，南側為西部大巷保護煤柱，上覆為41106工作面采空區(qū)，回順(上巷)內錯13.1 m，運順(下巷)外擴42.5 m，40111工作面采掘平面圖如圖1所示。

圖1 40111工作面采掘平面Fig.1 Mining plan of 40111 working face

1.3 含水層概況

40111工作面局部含水裂隙發(fā)育，工作面北側為40109采空區(qū)，上覆為41106采空區(qū)，且砂巖層內含水具有局部不確定性。因此，巷道掘進主要可能存在的充水水源為40109相鄰采空區(qū)積水、41106上覆采空區(qū)積水、4號煤～4上煤段含水砂巖層的富水。巷道掘進過程中，受地質構造、裂隙帶、鉆孔、巖層層位及采空區(qū)積水等影響，將給巷道安全施工造成一定的影響。因此為保障巷道安全掘進，需對巷道前方巖層富水性做進一步的探查，采用物探手段來探查掘進巷道迎頭前方富水性情況。根據勘探資料，工作面內主要含水層由上到下依次為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙-裂隙承壓含水巖組、白堊系下統(tǒng)宜君組裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)安定直羅組裂隙承壓含水巖組、侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水巖組，見表1。

表1 含水層特征匯總

1.4 地質概況

根據煤層底板等高線變化趨勢以及40109工作面掘進期間揭露情況分析，工作面內煤層沿EW走向方向的起伏變化較為明顯，在工作面中部區(qū)域發(fā)育有一處近SN走向的向斜構造，其振幅在18～47 m。該向斜西翼煤層傾角約2°～9°，東翼煤層傾角約1°～8°。此外，根據地質精查報告以及401采區(qū)三維地震勘探資料情況分析，工作面西南角有1處DF09正斷層，該斷層走向NW，呈弧形延度，斷層傾向SW，傾角70°～75°，落差0～5 m左右，井田內延伸長度約350 m，斷層經2次精細化解釋均一致，且延伸至4號煤，較為可靠。但41106及41201工作面在掘進和回采過程中均未揭露，故40111工作面掘進過程中遇該斷層的可能性較小。

2 工程實踐

2.1 工作原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Timedomain electro magnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法[9-12]。

地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應，這種瞬變響應完全來自于地表以下半空間地層；而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種瞬變響應是來自于回線平面巷道周圍巖體，由于電磁場在空氣中傳播的速度比在導電介質中傳播的速度大得多，當一次電流斷開時，一次磁場的劇烈變化首先傳播到發(fā)射回線巷道周圍巖體各點，因此，最初激發(fā)的感應電流局限于巷道周圍巖體。巷道周圍巖體各處感應電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場最強的巷道周圍感應電流最強。隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流便逐漸向外擴散，其強度也逐漸減弱，分布也趨于均勻。任一時刻巷道周圍產生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關斷時，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間推移，該電流環(huán)向外擴散，并逐漸變形為圓形電流環(huán)。等效電流環(huán)像是從發(fā)射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖2所示。

圖2 瞬變電磁場的煙卷效應示意Fig.2 Smoke ring effect of transient electromagnetic field

2.2 數據采集

探測儀器采用福州華虹智能科技開發(fā)有限公司生產的YCS512礦用本安型探水儀。發(fā)射線框為1.5 m×1.5 m，接收線框0.8 m×0.8 m、發(fā)射頻率6.25 Hz、疊加次數32、發(fā)射模式內置發(fā)射，裝置類型為中心回線，延遲時間0 μm，發(fā)射回線10匝，接收回線20匝，YCS512礦用本安型探水儀的組成如圖3所示。

圖3 YCS512礦用本安型探水儀的組成Fig.3 Composition of YCS512 mine intrinsically safe water detector

本次探測位置為40111工作面回風順槽掘進正頭，40111工作面回風順槽采用“錨網索”聯合支護，巷道為矩形斷面。在探查前將工作面迎頭的支護工器具等鐵器清理干凈，綜掘機退至工作面正頭向后10 m位置。發(fā)射及接收線圈在巷道內呈扇形布置，對巷道頂板、順層及底板進行掃描探測，及時對巷道頂板、前方、兩幫及底板等方向可能存在的水患或導水構造進行控制。根據40111工作面的空間位置關系，結合YCS512礦用本安型瞬變電磁儀在井下使用的實際情況，在現場布置設計的5個探測方向，分別是斜上30°、斜上15°、順層0°、斜下30°方向以及縱剖面，形成對巷道迎頭左前、右前及正前方的探測，從而得出在全空間范圍內含水異常的低阻空間，具體如圖4～6所示。

圖4 橫向測線布置示意Fig.4 Transverse measuring line layout

圖5 橫向測線單個測點布置示意Fig.5 Layout of single measuring point of transverse measuring line

圖6 縱向剖面測線布置示意Fig.6 Measuring line layout of longitudinal section

2.3 數據資料處理

40111工作面的現場數據采集完成后，對數據進行處理分析，結合水文地質資料，對比分析不同探測方向視電阻率分布特征，綜合5個方向的剖面圖，如圖7所示，以及水文地質資料進行分析。可以得出，40111工作面回順(開口向里910 m處)迎頭前方100 m探測范圍內斜上30°方向在橫軸55～65 m、縱軸0～5 m范圍內存在低阻異常；40111工作面回順(開口向里910 m處)迎頭前方100 m探測范圍內斜向上15°方向在橫軸50～65 m、縱軸0～10 m范圍內存在低阻異常；40111工作面回順(開口向里910 m處)迎頭前方100 m探測范圍內順層方向在橫軸50～65 m、縱軸0～20 m范圍內存在低阻異常；40111工作面回順(開口向里910 m處)迎頭前方100 m探測范圍內斜向下30°方向在橫軸50～100 m、縱軸0～40 m范圍內存在低阻異常；40111工作面回順(開口向里910 m處)迎頭前方100 m探測范圍縱剖面方向范圍內無明顯低阻異常。通過后期40111工作面回順5號鉆場施工的探放水孔驗證，探測結果與實際水文地質情況完全相符。

圖7 40111工作面回順(開口向里910 m處)瞬變電磁橫向剖面探測成果Fig.7 Detection results of transient electromagnetic transverse profile of 40111 working face

3 結論

(1)瞬變電磁法通過在40111工作面的實踐與應用，證明這種物探方法是可靠有效的物探方法，為后續(xù)鉆探位置提供技術支撐，提前進行探放水工程，疏降老空水位，降低水害對回采工作面的影響，保證工作面的安全回采。

(2)瞬變電磁法在井下超前探測水害時能較快得出結論，但在施工過程中要提前對可能產生干擾的事物進行處理，如鐵器、積水、矸石等。

(3)瞬變電磁法受到的影響因素較多，需要與礦井水文地質、礦井地質及鉆探相結合的方式，進行相互驗證，確保將水害的影響降至最低。