王東升，吳 強(qiáng)，楊百順

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045；2.四川省安科技術(shù)咨詢有限公司，四川 成都 610045)

近年來(lái)，煤礦重特大水害事故呈多發(fā)易發(fā)態(tài)勢(shì)，給煤礦企業(yè)和礦工的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。如2010年3月28日，山西王家?guī)X煤礦掘進(jìn)工作面發(fā)生特大突水事故，造成38人死亡[1]；2011年5月29日，貴州省富宏煤礦掘進(jìn)工作面發(fā)生重大透水事故，造成12人死亡；2012年5月2日，黑龍江省峻源二礦掘進(jìn)工作面發(fā)生重大透水事故，造成13人死亡。煤礦采掘活動(dòng)中，未嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，一旦遇到積水區(qū)、富水區(qū)，極易造成重特大水害事故，因此做好掘進(jìn)工作面超前水害分析預(yù)測(cè)工作十分必要。

煤礦掘進(jìn)工作面水害超前探測(cè)方法多種多樣，其中直流電法、音頻電透視、瞬變電磁法應(yīng)用最為廣泛，對(duì)巖層的富水性的反應(yīng)較為敏感[2-4]。每種探測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中瞬變電磁法憑借其成本低、效率高、對(duì)含水體響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)[5]，成為煤礦采掘工作面水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的首選方法。

本文首先介紹瞬變電磁法的工作原理和特點(diǎn)，對(duì)井下瞬變電磁法探測(cè)的影響因素進(jìn)行分析，然后以某礦掘進(jìn)工作面為工程背景，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)工作面順層、頂板、底板方向的超前探測(cè)，分析研判掘進(jìn)工作面水害水情，針對(duì)低阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，為煤礦掘進(jìn)工作面水害防治提供技術(shù)指導(dǎo)，保證掘進(jìn)工作面安全施工。

1 井下瞬變電磁法原理及特點(diǎn)

1.1 井下瞬變電磁法工作原理

井下瞬變電磁法是利用不接地回線向探測(cè)地層發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用不接地線圈觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[6-7]。其工作方法是在井下掘進(jìn)工作面設(shè)置發(fā)射線圈，首先通以一定波形電流，從而在巷道周圍空間產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，并在圍巖中產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后進(jìn)行斷電，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過(guò)程分為早期、中期、晚期，早期電磁場(chǎng)衰減快，趨膚深度小，晚期電磁場(chǎng)衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后不同時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，即可得到不同深度巖層的地電特征[8]。

1.2 井下瞬變電磁法的特點(diǎn)

與地面瞬變電磁法探測(cè)不同，由于受煤礦巷道斷面影響，井下瞬變電磁法采用小規(guī)模的多匝回線裝置，能有效降低體積效應(yīng)的影響，進(jìn)一步提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率。井下瞬變電磁法的測(cè)量裝置距離低阻異常區(qū)更近，與地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置相比信號(hào)更強(qiáng)，大大提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比。井下瞬變電磁法測(cè)量時(shí)，既可以直立于巷道內(nèi)進(jìn)行超前探測(cè)，也可以傾斜于巷道頂?shù)装鍦y(cè)量一定深度內(nèi)含水性異常體的垂向和橫向發(fā)育規(guī)律。

2 井下瞬變電磁探測(cè)影響因素

根據(jù)井下瞬變電磁法的工作原理可知，井下現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)量信號(hào)的信噪比的高低決定了探測(cè)結(jié)果的好壞。掘進(jìn)工作面積水、金屬設(shè)備設(shè)施、電磁干擾是信噪比高低的主要影響因素[9-10]。掘進(jìn)工作面積水主要有施工水、頂板淋水等，瞬變電磁探測(cè)作業(yè)區(qū)域積水將導(dǎo)致數(shù)據(jù)成果圖中出現(xiàn)假的低阻異常區(qū)，影響探測(cè)結(jié)果真實(shí)性；掘進(jìn)工作面金屬設(shè)備設(shè)施主要有金屬網(wǎng)、錨桿、錨索、單體支柱、綜掘機(jī)、裝巖機(jī)、膠帶架、鋼軌等，其中一些金屬設(shè)備設(shè)施由于數(shù)量少、體積小，對(duì)探測(cè)結(jié)果影響不大，但綜掘機(jī)、裝巖機(jī)、膠帶架等大型設(shè)備設(shè)施則會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，需要向磧頭后方移動(dòng)15 m以上；掘進(jìn)工作面為綜掘機(jī)、膠帶輸送機(jī)、裝載機(jī)等供電的動(dòng)力電纜產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)探測(cè)結(jié)果影響大，探測(cè)時(shí)需要對(duì)除監(jiān)控電纜以外的電纜進(jìn)行斷電處理。

3 工程背景

某煤礦批準(zhǔn)開(kāi)采二疊系上統(tǒng)宣威組的細(xì)花炭煤層和大漢炭煤層，宣威組厚約113 m，可分為一段和二段，其中，大漢炭煤層位于宣威組二段頂部，煤厚0.80～1.30 m，頂板以炭巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板以砂質(zhì)泥巖、粘土巖為主；細(xì)花炭煤層位于宣威組一段底部，煤厚0.50～1.20 m，頂板以粘土巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板為黃鐵礦粘土巖，與下伏茅口組灰?guī)r呈假整合接觸，地層綜合柱狀如圖1所示。二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面位于細(xì)花炭煤層底板15 m左右的二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r中，掘進(jìn)工作面頂?shù)装寰鶠閳?jiān)硬的深灰色、黑灰色的石灰?guī)r，一般情況下巷道圍巖完整性好。巷道斷面為4 m×4 m，臨時(shí)支護(hù)采用單體支柱支護(hù)，永久支護(hù)采用噴漿支護(hù)，全斷面一次性鉆爆施工，耙斗式裝巖機(jī)裝巖，U型礦車運(yùn)輸。

圖1 巖層綜合柱狀圖

茅口組灰?guī)r為富水性強(qiáng)的巖溶含水層，巖溶發(fā)育，地下水以管道徑流為其主要特征。根據(jù)以往井下揭露地質(zhì)資料分析掘進(jìn)施工過(guò)程中可能揭露小型構(gòu)造和斷層破碎帶，現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工至里程160 m時(shí)，巷道左幫揭穿巖溶裂隙水體，涌水量約165 m3/h，造成掘進(jìn)設(shè)備被淹，給掘進(jìn)施工帶來(lái)嚴(yán)重影響。為有效防范水害事故，經(jīng)研究決定選用井下瞬變電磁法進(jìn)行水害超前預(yù)測(cè)分析，結(jié)合鉆探驗(yàn)證，采取科學(xué)措施消除隱患。

4 工程應(yīng)用

4.1 探測(cè)施工方案

根據(jù)超前探測(cè)目的，選用YCS256礦用本安型瞬變電磁儀，沿二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面布置3條探測(cè)線，每條探測(cè)線設(shè)置11個(gè)物理點(diǎn)，共計(jì)33個(gè)物理點(diǎn)。第1條測(cè)線沿巷道頂板斜向上設(shè)置(45°)，第2條測(cè)線沿巷道順層方向設(shè)置(0°)，第三條測(cè)線沿底板斜向下設(shè)置(-45°)，1號(hào)～5號(hào)、7號(hào)～11號(hào)物理點(diǎn)探測(cè)方向之間夾角為15°，6號(hào)物理點(diǎn)探測(cè)方向與磧頭方向一致，施工布置圖如圖2所示。

圖2 井下瞬變電磁法超前探測(cè)施工布置圖

為減小各種客觀因素對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，探測(cè)前將耙斗裝巖機(jī)、單體支柱等設(shè)備設(shè)施后撤20 m，對(duì)電氣設(shè)備設(shè)施進(jìn)行斷電處理。

4.2 探測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理—格式轉(zhuǎn)換—濾波處理—降噪處理—晚期視電阻率計(jì)算—時(shí)深轉(zhuǎn)換—結(jié)果圖，得到頂板、順層、底板方向的視電阻率等值線圖，如圖3所示。

由圖3可知，二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面頂板方向(45°)共發(fā)現(xiàn)兩處低阻異常區(qū)，R1和R7，R7推測(cè)為由于裂隙發(fā)育造成的巖體潮濕，R1推測(cè)為裂隙發(fā)育形成的良好的富水區(qū)域和導(dǎo)水通道；排水巷掘進(jìn)工作面順層方向(0°)共發(fā)現(xiàn)兩處低阻異常區(qū)，R2和R3，推測(cè)為裂隙發(fā)育形成的良好的富水區(qū)域和導(dǎo)水通道；排水巷掘進(jìn)工作面底板方向(-45°)共發(fā)現(xiàn)三處低阻異常區(qū)，R4、R5和R6，R4和R5推測(cè)為裂隙發(fā)育形成的良好的富水區(qū)域和導(dǎo)水通道，R6推測(cè)為由于裂隙發(fā)育造成的巖體潮濕。

圖3 二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面超前探測(cè)視電阻率成果圖

4.3 鉆探效果驗(yàn)證

按照井下探放水“三專兩探”工作要求，煤礦防治水專業(yè)技術(shù)人員組織編制了《二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面探放水設(shè)計(jì)》，采用專用探放水鉆機(jī)對(duì)R1～R7等7處低阻異常區(qū)進(jìn)行了鉆探效果驗(yàn)證，R1～R7低阻異常區(qū)對(duì)應(yīng)鉆孔涌水量如表1所示。

表1 R1～R7低阻異常區(qū)對(duì)應(yīng)鉆孔涌水量

鉆探驗(yàn)證結(jié)果顯示，二采區(qū)排水巷掘進(jìn)工作面前方頂?shù)装寮绊槍臃较蚓嬖诓煌潭鹊膸r溶裂隙水，瞬變電磁法超前探測(cè)分析預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆探驗(yàn)證效果基本一致，礦井提前采取調(diào)整二采區(qū)排水巷掘進(jìn)方向的措施，繞開(kāi)了巖溶裂隙水發(fā)育區(qū)，實(shí)現(xiàn)了安全掘進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

瞬變電磁法在掘進(jìn)工作面水害超前探測(cè)中可以發(fā)揮成本低、效率高等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)超前探測(cè)視電阻率的研判分析，初步圈定富水低阻異常區(qū)位置，再通過(guò)鉆探驗(yàn)證精準(zhǔn)掌握掘進(jìn)工作面前方水害特征，兩者相互印證，提高了預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性，為掘進(jìn)工作面水害防治提供了技術(shù)支撐，可有效避免掘進(jìn)過(guò)程中水害事故發(fā)生。