高剛剛
(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)
礦井瞬變電磁法是利用電磁感應(yīng)定律,根據(jù)瞬變電磁對(duì)低阻體的感應(yīng)敏捷特點(diǎn)。利用人工發(fā)射線圈加以脈沖電流,產(chǎn)生一個(gè)瞬變的電磁場(chǎng),并在地下導(dǎo)電巖體中產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而實(shí)現(xiàn)礦井水文構(gòu)造的探測(cè)。根據(jù)山西省各煤礦的防治水工作的嚴(yán)格要求,金幸達(dá)煤礦根據(jù)”物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”綜合探測(cè)驗(yàn)證制度,選用瞬變電磁技術(shù)探測(cè),使礦井鉆探工作有針對(duì)性和可靠性,為礦井解決了防治水工作難題。
對(duì)煤礦來(lái)說(shuō),瞬變電磁法探測(cè)主要用于:①施工掘進(jìn)巷道前方富水性探測(cè);②工作面煤層頂板水害探測(cè);③工作面煤層底板水害探測(cè);④工作面斷層、陷落柱、老空區(qū)等富水性探測(cè);⑤廢棄不良鉆孔富水性檢測(cè)。
圖1 瞬變電磁法探測(cè)方向示意圖
掘進(jìn)工作面瞬變電磁法探測(cè):設(shè)計(jì)礦井瞬變電磁法超前探測(cè)方向7個(gè),如圖1所示,分別是6個(gè)橫向探測(cè)方向(與巷道頂板呈15°、30°、45°夾角向前方頂板探測(cè)、順層方向向前方探測(cè)、與巷道底板呈15°、30°、45°夾角向前方底板探測(cè))和1個(gè)縱向探測(cè)方向。每個(gè)橫向探測(cè)方向布置橫向探測(cè)角度13個(gè),如圖2(a),分別是左側(cè)幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、右側(cè)幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°),6個(gè)橫向探測(cè)方向共布置78個(gè)探測(cè)角度;縱向探測(cè)方向布置13個(gè)探測(cè)角度如圖2(b),分別是頂板(90°、75°、60°、45°、30°、15°)、正前方(0°)、底板(-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°),7個(gè)探測(cè)方向共計(jì)91個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。探測(cè)時(shí)可根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)與水文地質(zhì)情況及探測(cè)目的,對(duì)探測(cè)方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(增加或減少探測(cè)方向)。
a-橫向探測(cè);b-縱向探測(cè)圖2 瞬變電磁法探測(cè)角度示意圖
回采工作面探測(cè):礦井瞬變電磁法探測(cè)測(cè)線可布置在工作面軌道順槽、皮帶順槽內(nèi)或其它巷道內(nèi),測(cè)點(diǎn)間距一般為5~20 m。探測(cè)巷道頂板和底板電阻率分布時(shí),可以把線圈水平放置巷道內(nèi)。若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道,則探測(cè)巷道側(cè)上方頂板或側(cè)下方底板一定范圍的電阻率分布,圖3為工作面瞬變電磁法探測(cè)布置示意圖,探測(cè)時(shí)可根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)與水文地質(zhì)情況及探測(cè)目的,對(duì)探測(cè)方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(增加或減少探測(cè)方向)。
圖3 工作面物探測(cè)線方向示意
優(yōu)點(diǎn):直接識(shí)別地下煤層含水情況特別直觀,探測(cè)方向性明確,操作簡(jiǎn)單3人就可以操作,不需要復(fù)雜的理論推演,探測(cè)時(shí)間短,不受地形影響,一個(gè)掘進(jìn)面探測(cè)工作開(kāi)始到結(jié)束,用時(shí)35 min。
缺點(diǎn):抗干擾能力弱、有探測(cè)盲區(qū),探測(cè)距離短。
為了減少現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)干擾,應(yīng)注意:①瞬變電磁距離綜掘機(jī)等大型鐵器至少5 m以上;②線圈距離錨網(wǎng)至少1 m以上;③線圈距離刮板輸送機(jī)至少0.5 m以上;④切斷施工區(qū)域100 m范圍之內(nèi)高壓線等強(qiáng)電力干擾源;⑤清理施工區(qū)域淤泥、積水、浮煤、浮矸等。
金辛達(dá)煤礦采用TEMHZ 75型瞬變電磁儀及其探測(cè)軟件進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集分析。
表1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境描述
根據(jù)本次探測(cè)地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境觀測(cè),干擾源主要有:甲烷傳感器、掘進(jìn)機(jī)、鐵質(zhì)雜物及底板工程積水等,會(huì)干擾本次瞬變電磁采集的數(shù)據(jù)。
本次探測(cè),采用扇形布置方法,從巷道左側(cè)開(kāi)始,巷道縱向布置3個(gè)方向頂板20°方向、順層方向、底板20°方向,每個(gè)方向按12°間隔旋轉(zhuǎn)線圈,如圖4所示共布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)。
a-平面圖;b-剖面圖圖4 平面探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置
本次探測(cè)自2017年4月25日結(jié)束現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作,現(xiàn)場(chǎng)工作共計(jì)1 d,現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量見(jiàn)表2。
表2 瞬變電磁現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)
該流程為:新建工程—測(cè)線拆分組合—道參設(shè)置—晚期視電阻率計(jì)算—surfer軟件處理—Voxler三維處理—數(shù)據(jù)形態(tài)分布分析,按人機(jī)界面操作。
根據(jù)儀器性能參數(shù)及瞬變電磁探測(cè)行業(yè)經(jīng)驗(yàn),綜合考慮,將視電阻率約束到80 Ωm,先按默認(rèn)值成圖,再將成圖的視電阻率最大值與80 Ωm相比,再用默認(rèn)值(10 000)除以該系數(shù)得到視電阻率系16 500;將深度約束到100 m,先按默認(rèn)值(50)成圖,將成圖的最大測(cè)深與100 m相比,再用默認(rèn)值(50)除以這個(gè)系數(shù)就得到深度系數(shù)59。
瞬變電磁解釋原則:電阻率值從高到低排序?yàn)橹旅芑規(guī)r、煤層、砂巖、粘土巖類。根據(jù)該理論可分析出巷道前方低阻分布情況,結(jié)合已有的地質(zhì)資料,預(yù)測(cè)含水地質(zhì)體的位置及規(guī)模,以便礦方有針對(duì)性地設(shè)計(jì)探放水方案,保障煤礦的安全生產(chǎn)。
探測(cè)解釋:根據(jù)探測(cè)成果中的低阻異常區(qū)域的大小及電阻率值等級(jí)分布對(duì)掘進(jìn)巷道安全影響由大到小,主要形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級(jí)分類,其中,Ⅰ級(jí)為富水性特強(qiáng)區(qū)域,一般定義為受老空水或溶洞影響,必須對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,以探明異常區(qū)域是否積水及積水范圍;Ⅱ級(jí)為富水性較強(qiáng)區(qū)域,一般定義為煤層或砂巖含水層局部富水性強(qiáng)或者存在較強(qiáng)導(dǎo)水通道的區(qū)域,必須對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證;Ⅲ級(jí)為富水性較弱區(qū)域,一般定義為受砂巖含水層或?qū)當(dāng)鄬佑绊憛^(qū)域(也可定義為受采區(qū)巷道支護(hù)、電纜等其他影響),可按照正常探放水設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。
頂板20°方向探測(cè)成果:在此方向發(fā)現(xiàn)1處低阻異常區(qū),異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方,距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。據(jù)資料分析可知,K4、K3、K2石灰?guī)r為11#煤層直接充水含水層,厚度變化大,裂隙溶隙較發(fā)育,分析低阻異常區(qū)可能受灰?guī)r含水層局部富水性較強(qiáng)或斷層裂隙相對(duì)富水影響。根據(jù)低阻異常評(píng)價(jià)等級(jí)分類,劃定為Ⅱ類異常區(qū),如圖5所示。
圖5 頂板20°方向探測(cè)成果
順層方向探測(cè)成果:順層方向未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū),如圖6所示。
底板20°方向探測(cè)成果:底板20°方向未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū),如圖7所示。
圖6 順層方向探測(cè)成果
圖7 底板20°方向探測(cè)成果
物探發(fā)現(xiàn)頂板20°方向1處低阻異常區(qū),異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方,距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。根據(jù)資料分析可知,K4、K3、K2石灰?guī)r為11#煤層直接充水含水層。針對(duì)本異常區(qū)金辛達(dá)煤礦組織探水隊(duì)進(jìn)行打鉆驗(yàn)證,總共設(shè)計(jì)3個(gè)探眼進(jìn)行驗(yàn)證,鉆孔內(nèi)均有水流出,水量1.3 m3/min。經(jīng)化驗(yàn)比對(duì),為本礦K4、K3、K2石灰?guī)r含水層的水。
本次物探發(fā)現(xiàn)頂板20°方向1處低阻異常區(qū),異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方,距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。確定了掘進(jìn)巷道前方的水害隱患位置,結(jié)合鉆探驗(yàn)證手段和水質(zhì)化驗(yàn),充分顯示了瞬變電磁法探測(cè)快捷、方向明確、水體識(shí)別直觀等特點(diǎn),為礦井防治水工作提供了可靠的地質(zhì)資料。