煤礦井下綜合物探超前探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用①

李 健 許海濤 李永軍

(1.山西晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西晉城 048205;2.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

隨著煤炭開采由淺部向深部發(fā)展，構(gòu)造探測(cè)也出現(xiàn)了一些新情況、新問題。由于深度增加，地表勘探的精度降低，發(fā)展井下近距離探測(cè)成為目前研究開發(fā)的主要課題。巷道掘進(jìn)前方斷層及其破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等構(gòu)造的賦水性的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)對(duì)巷道安全高效掘進(jìn)和預(yù)防水害事故的發(fā)生有著非常重要的作用［1］。近年來發(fā)展出來的礦井瞬變電磁技術(shù)憑借其體積效應(yīng)小、探測(cè)方向性強(qiáng)、分辨率高、對(duì)含水低阻體敏感、施工效率高等特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)適合礦井巷道條件的裝置形式，可以有效的解決工作面煤層頂?shù)装?、回采煤層及巷道前方?gòu)造賦水性狀態(tài)。特別是在礦井巷道超前探測(cè)方面，瞬變電磁法有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)［2］。

1 基本原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods，簡稱TEM)是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。利用不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(一次場)，在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(二次場)［3］。該二次場的大小及衰減速度與地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性有關(guān)，如果巖石裂隙發(fā)育豐富，含水量較大，導(dǎo)電性好，則二次場衰減慢;反之，二次場衰減較快。根據(jù)二次場衰減曲線的特征就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。美國地球物理學(xué)家M.N.Nabighan對(duì)發(fā)射電流關(guān)斷后不同時(shí)刻地下感應(yīng)電流場的分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，渦流場極大值最先位于緊靠發(fā)射回線的地表下，隨著時(shí)間的推移，該極大值沿著與地表呈30o傾角的錐形斜面(如圖1)向下、向外移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱。

圖1 地下感應(yīng)電流環(huán)帶分布圖

1.2 高密度電法

高密度電法是一種陣列勘探方法，多用于中淺層的工程勘察當(dāng)中。與淺層地震、探地雷達(dá)等淺層勘探方法相比，高密度電法具有成本低、受場地干擾小等優(yōu)點(diǎn)［4］。由于這些優(yōu)點(diǎn)，高密度電法在路基勘察、巖溶塌陷、堤壩滲漏、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘查等方面廣泛應(yīng)用，并取得了巨大成功。高密度電法是一種陣列勘探方法，地面電極一次布設(shè)完成，布設(shè)完后統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。與常規(guī)電法相比，高密度電法數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集，大大地提高了工作效率。高密度電法是常規(guī)電法電極布設(shè)和觀測(cè)形式的改變，原理上沒有差別。

2 探測(cè)技術(shù)

2.1 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

采用迎頭超前探測(cè)的方案，在局部對(duì)巷道側(cè)邦及頂?shù)装暹M(jìn)行探測(cè)時(shí)，則采用偶極裝置的方案進(jìn)行構(gòu)造及富水性探測(cè)研究。掘進(jìn)巷道前方構(gòu)造及富水性探測(cè)研究超前探測(cè)方案，主要采用多方向水平探測(cè)，使探測(cè)范圍形成一個(gè)以迎頭為中心點(diǎn)的扇形區(qū)域。探測(cè)方向如下圖2所示。為了了解頂?shù)装迩闆r，也可采用垂直方向的探測(cè)方案，如下圖3所示。

圖2 水平方向探測(cè)方式布置示意圖

圖3 垂直方向探測(cè)方式布置示意圖

2.2 高密度電法探測(cè)技術(shù)

礦井高密度電法探測(cè)采用三級(jí)超前探測(cè)法，在工作面順槽、切眼、泄水巷掘進(jìn)迎頭與瞬變電磁進(jìn)行同期探測(cè)。井下探測(cè)施工裝置如圖4所示:

圖4 礦井高密度電法施工裝置圖

2.3 地球物理響應(yīng)特征

從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律為:煤層電阻率值相對(duì)較高，砂巖次之，粘土巖類最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定變化規(guī)律，而在橫向上相對(duì)比較均一。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時(shí)，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探測(cè)提供了良好的地質(zhì)條件［5］。

3 應(yīng)用實(shí)例

以趙莊二號(hào)井1302工作面順槽超前探測(cè)為例，1302工作面為帶壓開采工作面，受奧陶系灰?guī)r承壓水影響較大，且工作面地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。工作面處于承壓水區(qū)域，采掘時(shí)會(huì)受到威脅，特別是在莊頭正斷層等構(gòu)造附近，受采動(dòng)影響形成裂隙，會(huì)造成工作面涌水異常。根據(jù)實(shí)見水文地質(zhì)資料，13041巷掘進(jìn)至東回以南300 m時(shí)涌水量增大，淋水點(diǎn)以錨索(桿)孔、頂板裂隙為主，正常涌水量15～25 m3/h、最大50 m3/h; 30～45天疏干。為避免水災(zāi)水害事故發(fā)生，保證工作面安全回采，采用礦井瞬變電磁法及高密度電法對(duì)1302工作面順槽進(jìn)行超前探測(cè)。第八輪探測(cè)地點(diǎn)為1302泄水巷迎頭。具體位置為:1302泄水橫川北22.6 m處。

3.1 探測(cè)成果

采用礦井瞬變電磁和礦井高密度電法對(duì)1302泄水巷迎頭進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)。1302泄水巷由于巷道較短且迎頭處有掘進(jìn)機(jī)影響，對(duì)本次探測(cè)影響較大。圖5為瞬變電磁水平方向探測(cè)成果圖，圖6為高密度電法探測(cè)成果圖，從探測(cè)成果圖中只看出迎頭前方28m范圍內(nèi)巖體電阻率值較低，且在20 m左右范圍迎頭偏右方巖體富水性相對(duì)較高些，現(xiàn)場掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)注意(圖7)。

圖5 瞬變電磁水平方向探測(cè)成果圖

圖6 高密度電法探測(cè)成果圖

圖7 1302泄水巷迎頭超前探測(cè)成果現(xiàn)場對(duì)照?qǐng)D

3.2 探測(cè)成果工程驗(yàn)證

在實(shí)際掘進(jìn)前，對(duì)本次探測(cè)成果所圈定的異常區(qū)，進(jìn)行了進(jìn)一步的鉆探考證，以防止礦井水害的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場鉆探及掘進(jìn)揭露情況分析，本次探測(cè)異常區(qū)為1302泄水巷橫川與DF2探巷貫通點(diǎn)處的積水區(qū)，該區(qū)域與1304采空區(qū)有連通關(guān)系，有大量積水積存在DF2探巷內(nèi)。礦方在貫通前對(duì)該巷進(jìn)行了啟密閉和排水工作，保證了貫通安全，與物探結(jié)論基本相符。

4 結(jié)論

礦井綜合物探方法在井下巷道超前探測(cè)方面具有施工方便、對(duì)施工空間要求不高、成本低、技術(shù)比較成熟、效率高的優(yōu)點(diǎn)，特別是可以在狹小的巷道迎頭空間中工作和數(shù)據(jù)采集效率高，不影響煤礦巷道的正常掘進(jìn)。

礦井綜合物探方法可有效地預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)迎頭前方的含水異常，可提前預(yù)報(bào)前方斷層及破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、巖溶、陷落柱等構(gòu)造的賦水性，保障了巷道的安全、快速掘進(jìn)。同時(shí)瞬變電磁法裝置簡便、成本低、效率高，能夠短時(shí)間內(nèi)給出結(jié)果，為巷道的快速掘進(jìn)節(jié)約了大量的時(shí)間，提高了煤礦的工作效率，因此在礦井超前探測(cè)方面值得推廣。

［1］ 郭純，劉白宙，白登海.地下全空間瞬變電磁技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)頭的連續(xù)跟蹤超前探測(cè)［J］.地震地質(zhì)，2006，9(3):456－462

［2］ 姜志海，岳建華，劉志新.礦井瞬變電磁法在老窯水超前探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(4):291－293

［3］ 牛之璉.時(shí)間域電磁法原理［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2007

［4］ 董浩斌，王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用［J］.地學(xué)前緣，2003，10(1):171－176

［5］ 李運(yùn)啟，李小明，李永軍，王洪德.頂板砂巖富水性的礦井瞬變電磁法探測(cè)［J］.地震地質(zhì)，2009(4):39－42