煤礦垂向?qū)ǖ谰C合探測關(guān)鍵技術(shù)的研究

王 鋼

(鄂爾多斯市國源礦業(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?，?dǎo)通奧灰含水層，造成工作面突水事故[1-2]。2018年9月1日開始實施的《煤礦防治水細則》要求：探查陷落柱等垂向構(gòu)造時，應(yīng)當(dāng)同時采用物探、鉆探兩種方法。先采用直流電法或者瞬變電磁法超前探測迎頭前方的富水異常區(qū)，然后鉆探根據(jù)物探成果對迎頭前方及煤層底板下方進行探測。直流電法超前方向性較弱，探測范圍非常有限[3]；施工巷道空間有限、環(huán)境復(fù)雜，對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，往會造成資源浪費，甚至可能形成新的垂向通道；布設(shè)過少，對垂向通道發(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，合理的進行工程設(shè)計，精準的對垂向通道進行探測，是奧灰?guī)合锏腊踩蜻M的關(guān)鍵問題[5-6]。

面對上述難題，筆者利用已有巷道對即待掘進巷道進行礦井瞬變電磁法探測，并引用電感校正的技術(shù)對巷道瞬變曲線進行校正；同時將礦井瞬變電磁與鉆探結(jié)合，施工孔中瞬變電磁法對鉆孔周邊地質(zhì)情況進行三維的定位，更精準的探測垂向通道的發(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到探測距離，所采用的均是多匝發(fā)射和接收線圈[9]。在激發(fā)電場情況下，就會導(dǎo)致線圈的自感和互感比較嚴重，對瞬變電磁法早期的數(shù)據(jù)影響較大，關(guān)斷時間增加，引起瞬變電磁法探測的淺層資料無法處理，從而造成對整體數(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)，觀測參數(shù)為感應(yīng)電動勢的表達式為：

(1)

式中，E為觀測的感應(yīng)電動勢，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為時間[12]。

從公式中可以看出觀測的感應(yīng)電動勢與電阻率3/2成反比，與時間5/2成反比，對比大框和小框觀測感應(yīng)電動勢曲線如圖1。

圖1 瞬變電磁法觀測感應(yīng)電動勢對比圖

對上圖發(fā)現(xiàn)，多線圈小框感應(yīng)電動勢曲線發(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)值大了幾個數(shù)量級。這是線圈之間的自感和互感造成了關(guān)斷時間過長，過渡狀態(tài)下的一次場和二次場的疊加，引起了信號的抬升，并造成早期曲線的畸變，對礦井瞬變電磁法數(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為觀測磁場強度和發(fā)射電流比例系數(shù)(H/I)，I為發(fā)射電流，t為采樣時間。

因此，實測礦井瞬變電磁法感應(yīng)電動勢E減去自感和互感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢才為真實的感應(yīng)電動勢：

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是將發(fā)射線框與接收探頭一同送入鉆孔中，逐點進行三分量測量[13]：順鉆孔方向的磁場垂直分量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，從而實現(xiàn)以鉆孔為中軸的圓柱形三維立體探查成果。探測示意圖如圖2所示。

圖2 孔中瞬變電磁剖面探測示意圖

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的水平分量過零點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確距離；最后采用擬地震處理方法實現(xiàn)電阻率反演成像。

3 工程應(yīng)用實例

鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦位于準格爾煤田中西部，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，當(dāng)遇斷層、陷落柱等構(gòu)造時，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煤輔運大巷巷道底板標高810m左右，低于奧灰水文標高，屬奧灰?guī)壕蜻M，巷道掘進位置現(xiàn)位于繞曲帶軸部，裂隙相對發(fā)育，且奧灰?guī)r層富水性較強。

3.1 礦井瞬變電磁法成果

據(jù)上述條件，設(shè)計采用了物探先行、鉆探驗證的方式。由于輔運大巷干擾較大，改由旁側(cè)主運大巷進行瞬變電磁法超前探測。采用瞬變電磁法對巷道迎頭前方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三個方向：順層、俯角30°和垂向方向：發(fā)現(xiàn)2處明顯相對低阻異常區(qū)。1號異常位于迎頭正前方20～40m，在三個方向上均有反映；2號異常位于迎頭左前方，其核心位置在巷道迎頭前方50～80m、偏輔運大巷附近，順層與俯角30°均有反映。且1號異常與2號異常有聯(lián)通趨勢。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(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)，鉆孔平面和剖面位置見圖4，5個孔均出現(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為輔運大巷迎頭前方存在裂隙發(fā)育，塌孔區(qū)域為裂隙發(fā)育較大區(qū)域，但5個孔均存在出水現(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，嚴重威脅巷道的安全掘進。

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，對裂隙帶發(fā)育實現(xiàn)了三維定位。

3.4 注漿及驗證成果

根據(jù)孔中瞬變電磁法對裂隙帶三維定位，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。

后掘進顯示該區(qū)域6煤輔運大巷順利安全掘進。

4 結(jié)論

①在探測垂向?qū)ǖ罆r，不可盲目的物探和鉆探，應(yīng)根據(jù)實際井下施工條件，進行有針對性的工程方案設(shè)計，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)濟效益。

②瞬變電磁法對低阻敏感，礦井瞬變電磁法由于“陰影效應(yīng)”，造成1和2號聯(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垂向?qū)ǖ赖募夹g(shù)。