瞬變電磁法在采面底板富水區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

岳輝

【摘 要】 為了對(duì)采煤工作面前方含水層的精確測(cè)定，采用瞬變電磁法對(duì)采面底板富水區(qū)進(jìn)行探測(cè)。在采面材料巷、切眼以及進(jìn)風(fēng)巷布置3條測(cè)線，共計(jì)103個(gè)測(cè)點(diǎn)按照垂直底板、斜長(zhǎng)底板兩個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)獲取到的TEM視電阻率分布曲線進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）在采面材料巷、切眼及進(jìn)風(fēng)巷位置獲取到的底板巖層視電阻率變化較大，但是整體無(wú)顯著異常;2）在進(jìn)風(fēng)巷至發(fā)現(xiàn)與切眼相距80m以外區(qū)域存在有條塊狀分布的視電阻率高阻區(qū)，與切眼相距40～80m位置與底板相距35～70m位置存在有低阻異常區(qū)，綜合判定該區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū);3）采用鉆孔注漿方式加固探測(cè)到的低阻異常區(qū)，避免回采時(shí)該富水區(qū)通過(guò)采動(dòng)裂隙向回采空間涌水。瞬變電磁法可為礦井探放水鉆孔施工以及注漿工作提供可靠資料支撐。

【關(guān)鍵詞】 煤炭開采;富水體;物探;瞬變電磁法

【中圖分類號(hào)】 TD166 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）05-0019-04

在煤炭開采過(guò)程中突水會(huì)給礦井生產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。對(duì)回采工作面前方及圍巖中隱伏構(gòu)造、含水層等超前探測(cè)，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果提前采取防治措施對(duì)提升礦井生產(chǎn)保證能力具有重要促進(jìn)作用。瞬變電磁法相對(duì)其他物探技術(shù)具有指向性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、分辨率高以及探測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在礦井含水地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，文中就將瞬變電磁法應(yīng)用到礦井6502綜采工作面底板富水體探測(cè)中，為針對(duì)性開展采面防治水工作提供了可靠支撐。

1工程概況

山西某礦6502綜采工作面開采的6號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度平均3.6m，在采面軌道巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露4條落差均在0.8m以內(nèi)正斷層;在切眼以及回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中局部未揭露斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，僅有局部位置發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵蝕區(qū)。

根據(jù)前期地質(zhì)資料，6502綜采工作面開采期間涌水水源主要來(lái)自于頂板砂巖裂隙水、底板砂巖裂隙水以及灰?guī)r巖溶水含水層。頂、底板砂巖裂隙水含水層富水性較弱，補(bǔ)給性差，正常情況下不會(huì)給采面正常生產(chǎn)帶來(lái)明顯影響;底板灰?guī)r巖溶水含水層埋深較深，富水性中等，以靜儲(chǔ)量位置，與6號(hào)煤層底板垂距在32.65～61.23m，平均50.13m。正常情況下采面開采不會(huì)出現(xiàn)底板涌水情況，但當(dāng)采面、巷道揭露具有導(dǎo)水性的隱伏構(gòu)造時(shí)，底板灰?guī)r水會(huì)涌入到生產(chǎn)空間，威脅采面生產(chǎn)安全。

2探測(cè)區(qū)內(nèi)巖層電阻特征

探測(cè)區(qū)域內(nèi)富水體、導(dǎo)水構(gòu)造與正常巖層導(dǎo)電性存在差異，瞬變電磁法是根據(jù)不同巖體間的電阻率差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)富水異常體判定。當(dāng)巖層完整時(shí)電阻率值一般較高，而當(dāng)局部區(qū)域有構(gòu)造裂隙或者破碎帶時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生明顯變化，當(dāng)構(gòu)造裂隙或破碎帶不含水時(shí)，其導(dǎo)電性會(huì)有所降低，電阻率呈增加趨勢(shì);當(dāng)構(gòu)造裂隙或破碎帶含水時(shí)，由于地下水體中溶解有大量電解質(zhì)從而導(dǎo)致其導(dǎo)電性增加，電阻率呈降低趨勢(shì)。具體在6502綜采工作面探測(cè)區(qū)范圍內(nèi)巖層電阻率值見表1。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1現(xiàn)場(chǎng)布置

6502綜采工作材料巷、進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)度分別為517m、532m，兩巷探測(cè)范圍為切眼至材料巷外聯(lián)巷，探測(cè)長(zhǎng)度均為470m，在巷道內(nèi)探測(cè)點(diǎn)布置間距為10m，每條巷道均布置48個(gè)測(cè)點(diǎn)。切眼內(nèi)每隔20m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。在采面內(nèi)布置的測(cè)點(diǎn)均垂直巷道底板（90°角）、斜向底板（60°俯角）向采面開采方向探測(cè)。為了提升探測(cè)精度，探測(cè)期間采面周邊的機(jī)電設(shè)備應(yīng)盡量停止運(yùn)行。具體現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖見圖1。

3.2數(shù)據(jù)處理

依據(jù)探測(cè)區(qū)基本資料以及相關(guān)計(jì)算公式對(duì)探測(cè)得到的視深度、視電阻率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，后期經(jīng)過(guò)濾波、一維反演等處理后，獲取合理的解釋數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

在數(shù)據(jù)處理、結(jié)果解釋中使用綜合處理與解譯技術(shù)，從而減少探測(cè)結(jié)果的多解性，提高解釋結(jié)果精準(zhǔn)度，具體探測(cè)資料解釋流程見圖3。

獲取到的TEM視電阻率曲線圖橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、探測(cè)深度。根據(jù)探測(cè)區(qū)水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料，確保探測(cè)區(qū)巖層電阻率變化情況。

3.3成果解釋

具體在6502材料巷、進(jìn)風(fēng)巷及切眼獲取到的底板巖層視電阻率分布圖見圖4～6所示。

從圖4（a）看出，底板巖層視電阻率（ρs）整體較大介于5～120Ω·m，部分區(qū)域存在低阻異常，在與煤層底板相距較近位置巖層結(jié)構(gòu)整體較為完整;從圖4（b）看出，底板巖層視電阻率變化在8～190Ω·m間，整體變化較大，部分位置有低阻異常區(qū)，但在與煤層底板相距較近的淺層區(qū)巖層結(jié)構(gòu)相對(duì)較為完整。從圖4看出，在與巷道底板下方35m以內(nèi)的巖層視電阻率值均大于30Ω·m，且變化較為平緩，未有異常突變點(diǎn)，表明6502材料巷底板巖層結(jié)構(gòu)較為完整。綜合分析后認(rèn)為6502材料巷底板下方未有明顯的含水異常區(qū)。

從圖5（a）看出，在垂直切眼底板方向上底板巖層視電阻率分布在20～150Ω·m，與底板相距較近位置巖層巖性較為完整，深部區(qū)域低阻異常區(qū)較為發(fā)育;從圖5（b）看出，在斜向切眼底板方向上底板巖層視電阻率在20～200Ω·m，具體電阻率變化特征為：與切眼底板相距較近巖層電阻率較大且變化較為平緩，與切眼底板相距較遠(yuǎn)時(shí)視電阻率值較小。與切眼底板相距35m范圍內(nèi)的巖層視電阻率在50Ω·m以上電阻率等值線變化較為平緩，未有明顯的突變區(qū)。因此認(rèn)為6502切眼底板巖層賦存較為穩(wěn)定，未有明顯含水異常區(qū)。

從圖6（a）看出，在垂直進(jìn)風(fēng)巷底板方向上底板巖層視電阻率在3～140Ω·m，整體變化較大，與巷道底板相距較近巖層視電阻變化相對(duì)較為穩(wěn)定，隨著與巷道底板間距增加探測(cè)到巖層的視電阻率呈降低趨勢(shì)。在進(jìn)風(fēng)巷3～8號(hào)測(cè)點(diǎn)位置底板下方35～70m范圍內(nèi)存在有低阻異常區(qū)A（視電阻率約5Ω·m），因此認(rèn)定該異常區(qū)存在有一定富水性。

從圖6（b）看出，在6502進(jìn)風(fēng)巷按60°俯角獲取到的底板巖層視電阻率變化在3～120Ω·m，在與回風(fēng)巷底板相距較近位置巖層視電阻率較大，隨著巷道底板間距增加巖層中視電阻率異常區(qū)發(fā)育。在巷道內(nèi)5～7號(hào)測(cè)點(diǎn)底板下方35～60m范圍內(nèi)巖層視電阻力較小的A異常區(qū)，且在該異常區(qū)內(nèi)視電阻率等值線形成閉合圈，綜合判定該地段為有一定富水性區(qū)域。

4采面底板相對(duì)異常區(qū)分析及防治

4.1異常區(qū)分析

根據(jù)采面水文地質(zhì)探測(cè)資料并結(jié)合巷道掘進(jìn)涌出情況，瞬變電磁法探測(cè)到的采面底板低阻異常區(qū)分析結(jié)果為：

（1）采面材料巷、切眼及進(jìn)風(fēng)巷探測(cè)到的底板巖層中視電阻率分布曲線整體較為平滑、未有明顯的異常突變區(qū)，視電阻值變化較大。

（2）進(jìn)風(fēng)巷獲取到的底板視電阻率分布曲線發(fā)現(xiàn)與切眼相距80m以外區(qū)域存在有條塊狀分布的視電阻率高阻區(qū)，電阻區(qū)內(nèi)上下均質(zhì)程度較高，但不存在水文異常。

（3）進(jìn)風(fēng)巷獲取到的底板視電阻率分布曲線發(fā)現(xiàn)與切眼相距40～80m、與底板相距35～70m位置存在有低阻異常區(qū)，綜合分析該區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)。

4.2異常區(qū)防治

在6502采面回采前在進(jìn)風(fēng)巷采用鉆探方式布置1、2號(hào)鉆探鉆孔，布置2個(gè)鉆探鉆孔鉆進(jìn)至異常區(qū)時(shí)鉆孔涌水量分別為7、18m3/h，水壓為2.4MPa。該水壓較底板奧灰水水壓低約2.3MPa，表明該富水異常區(qū)與底板奧灰水水力聯(lián)系不密切，判定該富水異常區(qū)為底板灰?guī)r巖溶水局部集聚所致。

為避免采面回采過(guò)程中及回采后底板出現(xiàn)較大涌出，通過(guò)1、2號(hào)探測(cè)孔及3、4號(hào)注漿孔向探測(cè)到的富水異常區(qū)進(jìn)行注漿加固，其中注漿量分別為3.8t、4.5t、2.4t及3.1t。采面回采至該富水異常區(qū)時(shí)未見底板涌水問(wèn)題。

5總結(jié)

（1）在6502工作面材料巷、切眼以及進(jìn)風(fēng)巷采用瞬變電磁法對(duì)底板巖層富水體進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)垂直、斜向底板兩個(gè)方向上的視電阻率分布曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)材料巷、切眼下方巖層賦存較為穩(wěn)定，無(wú)低阻異常區(qū);在進(jìn)風(fēng)巷距切眼相距40～80m、距底板35～70m位置存在有富水區(qū)。針對(duì)探測(cè)到的富水異常區(qū)位置，采用注漿方式進(jìn)行針對(duì)性處理。

（2）該礦現(xiàn)階開采的6號(hào)煤層工作面均采用物探+鉆探方式對(duì)底板富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，并采用注漿加固方式來(lái)解決底板承壓水對(duì)煤炭開采影響，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果。

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