張恒燦
(山西柳林碾焉煤礦有限責(zé)任公司,山西 呂梁 033300)
煤礦深部地質(zhì)條件惡劣,水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜,由于缺乏詳細(xì)的地質(zhì)資料,井下深部生產(chǎn)往往會受到水害威脅,造成煤礦突水事故,威脅煤礦生產(chǎn)工人生命安全,給煤礦造成不可挽回的損失。旗山煤礦地處水文地質(zhì)條件復(fù)雜的賈汪區(qū)境內(nèi),目前正在向-1000m水平延伸,在旗山煤礦的開采歷史上,曾與2010年發(fā)生過一起較為嚴(yán)重的突水事故,因此在后續(xù)的生產(chǎn)過程中,防水、治水一直是旗山煤礦深部生產(chǎn)的一項極為重要的工作[1-3]。
本文通過全空間瞬變電磁法可以精確探測采區(qū)內(nèi)的富水情況,以達到預(yù)測預(yù)報的目的隱含水體,使現(xiàn)場能夠安全回采富水區(qū)煤炭資源,為煤礦現(xiàn)場防治水工作提供借鑒。
瞬變電磁法(TEM)是一種時間域的電磁測深法,通過敷設(shè)不接地的線圈或者接地的電極,并向其中輸入階躍的電流,發(fā)射脈沖磁場,在階躍電流的間歇期,由線圈或者接地電極來監(jiān)測二次渦流場,通過研究二次渦流場的時空分布規(guī)律來解釋工程地質(zhì)問題。煤礦井下瞬變電磁法是全空間相應(yīng),瞬變電磁法工作原理圖如圖1所示。其發(fā)射器產(chǎn)生感應(yīng)的渦流(圖1中T1/T2/T3所示),該渦流會以等效渦流環(huán)的形式向周圍傳播,地下瞬變電磁法就是依靠不接地的線圈或者接地的電極來監(jiān)測二次渦流磁場或者電場的變化,以此來探測煤礦地層的地電性質(zhì)的分布情況。
圖1 瞬變電磁法工作原理圖
井下瞬變電磁法的視電阻率也是地下空間探測范圍內(nèi)巖層的綜合反應(yīng),其公式如式1所示:
式中:ρτ為視電阻率,Ω·m;μ0為磁率;I0為電流,A;ε(t)為感應(yīng)電動勢,v;a為回線圈半徑,m;t為采樣時間,s;n為接受線圈的匝數(shù);s為接受線圈的面積,m2。
根據(jù)其發(fā)射線圈的放置位置不同,其測量的方位特有所不同[4-5]。當(dāng)瞬變電磁儀的放射和接收線圈水平放置時,則測量井下巷道正上(下)方的地層電磁率分布,需要測量側(cè)上(下)方的地層電阻率分布,只需要將瞬變電磁儀的發(fā)射和接收線圈傾斜放置,發(fā)射線圈布置如圖2所示。
圖2 發(fā)射線圈布置方式
徐州礦務(wù)集團旗山煤礦位于江蘇省徐州市,井田走向長7.5km,傾斜長4.5km,面積34km2,核定生產(chǎn)能力180萬t,主采煤層為3煤,煤層厚度為1.8~2.38m。煤層開采深度-800~-1000 m,三采區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育程度高,且各斷裂構(gòu)造間相互切割關(guān)系復(fù)雜,易形成水力聯(lián)系,三采區(qū)內(nèi)共計有斷層28條,占有該礦區(qū)已查明的發(fā)育斷層的半數(shù)以上,為三灰含水層形成巖溶富水構(gòu)造提供了前提條件。在三采區(qū)的南部存在D24斷層,橫貫整個三采區(qū);采區(qū)中南部的F10斷層,區(qū)域內(nèi)的延伸長度為2.7km,該斷層在北半部錯斷為上下兩盤,兩盤的最大重疊距離在400m以上。斷層在三采區(qū)內(nèi)延伸長度和落差均較大,且其含水特性未知,需進一步探測。
根據(jù)煤層勘探地質(zhì)資料顯示,三采區(qū)水文條件復(fù)雜,采區(qū)直接充水含水層主要有山西組3煤頂、底板砂巖含水層,太原組三灰、十灰含水層。3煤頂板砂巖含水層的單位涌水量q=0.027 L/s·m,巖溶裂隙發(fā)育,3煤底板砂巖含水層的單位涌水量0.0087 L/s·m,巖溶裂隙相當(dāng)發(fā)育;太原組三灰含水層單位涌水量為0.00446 L/s·m,山西組十灰含水層的單位涌水量0.006126 L/s·m。煤系地層上覆含水層為第四系含水層和二疊系下石盒子組,二疊系下石盒子組內(nèi)裂隙發(fā)育程度高且含水量大;煤系地層下伏含水層主要是本溪組和中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r,中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r富水性中等,單位涌水量為0.1575~0.1726 L/s·m,為Ⅱ級富水區(qū)。
三采區(qū)在開拓前期,由地質(zhì)資料較少,對三灰含水層水文地質(zhì)情況控制程度較低,因此三采區(qū)開拓時三灰含水層對煤礦安全生產(chǎn)有較大威脅。為保證三采區(qū)開拓時生產(chǎn)安全,應(yīng)用井下瞬變電磁法對三采區(qū)兩條上山進行探測。以三采區(qū)運輸上山為例,對巷道進行立體探測,通過設(shè)置仰角30°、仰角20°、俯角30°、俯角20°、水平方向和豎直方向6個方位,超前100m對F10斷層的進行探測,以求確定富水位置、導(dǎo)水通道等一系列情況。
此次三采區(qū)上山礦井瞬變電磁法全空間立體探水采用的儀器為TEM-47型瞬變電磁儀,回線邊長:2m×2m,匝數(shù)64,此次地質(zhì)解釋主要依據(jù)不同方向電阻率斷面圖。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集及資料處理工作后,我們得出F10斷層的瞬變電磁法超前立體探測成果如圖3所示。
瞬變電磁法超前立體探測成果圖中的(0,0)點位置為三采區(qū)皮帶上山的掘進頭位置,縱坐標(biāo)表示瞬變電磁法超前立體探測的距離;除豎直方向的探測圖外,其他5副圖中橫坐標(biāo)表示掘進頭兩幫的探測距離,正值表示右?guī)?,?fù)值表示左幫;豎直方向的探測圖中橫坐標(biāo)表示掘進頭前方頂?shù)装宓奶綔y距離,正值表示底板,負(fù)值表示頂板。
圖3 瞬變電磁法超前立體探測反演成果圖
瞬變電磁法超前立體探測成果圖的解釋是依據(jù)不同方位的電阻率,根據(jù)巖層的電性不同,對本次探測結(jié)果進行解釋如下:
1)從圖3(a)瞬變電磁法超前立體探測成果圖的探測結(jié)果可以看出在掘進頭前方左側(cè),沿煤層傾斜方向25~65m,存在一個明顯的低阻異常區(qū),異常范圍較大,且異常偏向左幫,特別是在30~45m電阻率相對最低,異常特征明顯。
2)從圖3(b)瞬變電磁法超前立體探測成果圖探測成果看出異常分布與仰角30°方向切面相類似,但范圍及含水強度均比仰角30°方向切面結(jié)果明顯減弱,僅在偏左幫30~45m有較明顯的低阻異常。
3)由從圖 3(c)及圖 3(d)瞬變電磁法超前立體探測成果圖的探測成果看出,切面偏左幫位置有較弱的低阻異常,且異常向深部逐漸增強。
4)從圖3(e)瞬變電磁法超前立體探測成果圖的探測結(jié)果可以看出在掘進頭水平前方異常顯示較弱,僅在偏左幫位置存在一較弱低阻區(qū)。
5)從圖3(f)瞬變電磁法超前立體探測成果圖探測結(jié)果中可以看出三采區(qū)掘進頭頂板處低阻異常區(qū)非常明顯,三采區(qū)掘進頭頂板上方20~40m范圍內(nèi)的巖層中仍然含水,底板深部距迎頭30m~50m的也存在一低阻異常區(qū)。
結(jié)合探放水資料綜合分析仰角30°、仰角20°和水平方向的成果圖,可知掘進頭前方仰角30°方向的低阻異?,F(xiàn)象主要為煤礦地層的三灰含水層引起,該低阻異常區(qū)與F10斷層附近的破碎帶相連通;根據(jù)井下瞬變電磁法探測的全空間特征可以判斷出,掘進頭前方俯角20°、俯角30°和豎直方向的低阻異常主要是由頂板三灰?guī)r層含水引起,且底板巖層含水相對較弱。根據(jù)本次煤礦井下瞬變電磁法探測結(jié)果,結(jié)合概況的水文地質(zhì)資料綜合進行分析可以得出:
該礦三采區(qū)皮帶上山在掘進頭前方沿水平方向0~20m巖層視電阻率相對較高,為正常巖層反映;距迎頭20m~60m段,地層仍存在含水性,其中30m~50m段含水性略強,水量基本保持現(xiàn)在鉆孔出水量;60m之后巖層含水性減弱。巷道左側(cè)幫含水性明顯比右側(cè)幫強。主要含水層在掘進巷道的頂板上方,斷層破碎帶與含水地層具有連通性。
為了驗證以上結(jié)論的正確性,在此巷道掘進位置進行了鉆孔驗證。結(jié)果在3#孔(孔方位13°,仰角0°,深度為120m)19.68m處出水,水量約為45m3/h,在20.08 m處出水量增大到51.4m3/h,在30.46m處出水量繼續(xù)增大到70m3/h。在4#孔(孔方位13°,仰角20°,深度為80m)40.58 m處出水,水量約1m3/h。這個結(jié)果與物探預(yù)測的結(jié)果完全相符。
1)煤礦井下瞬變電磁法因其具有的重量輕、方向性好、工作效率高,成本較低等優(yōu)點在煤礦生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
2)本文通過運用煤礦井下瞬變電磁法,確定了該礦三采區(qū)皮帶上山處F10斷層的富水位置、導(dǎo)水通道等情況,通過結(jié)合該礦的水文地質(zhì)資料對比和現(xiàn)場鉆孔驗證,與現(xiàn)場地質(zhì)情況符合度高。
3)瞬變電磁法的探測結(jié)果制定制定相應(yīng)的防范措施,確保煤礦在掘進期間的生產(chǎn)安全,同時該種情況也為其他煤礦相同地質(zhì)條件下的生產(chǎn)工作提供借鑒。