煤礦回采工作面鉆孔注水聯(lián)合探測試驗(yàn)研究

劉百祥

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦工作面回采中的水害隱患制約著煤炭安全高效生產(chǎn)，同時(shí)也影響著煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。若在回采之前，能夠準(zhǔn)確探查工作面水害情況，使礦方做好充分準(zhǔn)備提前探放水，則不僅能確保生產(chǎn)順利進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率，而且能保證煤礦安全生產(chǎn)。國內(nèi)學(xué)者對(duì)工作面水害和水力壓裂效果從不同的方向進(jìn)行了研究，工作面水害主要針頂板水害、底板水害進(jìn)行探查（主要采用并行電法和瞬變電磁法），以及針對(duì)工作面進(jìn)行水害安全評(píng)價(jià)等[1-4]；對(duì)目前對(duì)工作面水害探測應(yīng)用較多的采用較為單一的物探方法進(jìn)行探測，如利用瞬變電磁法或高密度電法或音頻電透視探測[5]，單一的方法通常有所局限，受現(xiàn)場干擾因素影響較大，造成探測結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。這幾種物探方法工作原理各有不同，探測條件要求和適用范圍也有差別，對(duì)工作面水害探測結(jié)果有所區(qū)別[6]。水力壓裂主要有順層壓裂、高抽巷壓裂、底抽巷壓裂、沿煤層端頭壓裂，但對(duì)壓裂效果都是基于現(xiàn)場應(yīng)用研究，通過后期瓦斯抽采量來間接確定，水力壓裂增透效果的檢驗(yàn)方法有壓裂參數(shù)及施工現(xiàn)場分析、采樣實(shí)驗(yàn)室分析、示蹤劑檢驗(yàn)、直流電法檢驗(yàn)、電磁輻射監(jiān)測技術(shù)、抽采效果評(píng)價(jià)技術(shù)等[7-8]。借鑒前人研究相關(guān)應(yīng)用和理論成果，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用礦井高密度電法、瞬變電磁法、高頻電磁波CT這3種物探方法對(duì)工作面高壓注水前后進(jìn)行試驗(yàn)聯(lián)合探測，對(duì)比分析研究其電性參數(shù)的變化規(guī)律，有效圈定回采工作面內(nèi)部含水體，對(duì)水力壓裂影響范圍進(jìn)行初步測定，并結(jié)合工作面回采情況對(duì)探測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方法原理

1.1 高頻電磁波CT基本原理

高頻電磁波CT是在順煤層的2個(gè)巷道間或2個(gè)鉆孔中進(jìn)行，利用透視路徑中的地質(zhì)異常體對(duì)電磁波的吸收、反射、二次輻射等作用而造成的電磁能量衰減特性來探測各種地質(zhì)構(gòu)造異常體。假設(shè)輻射源（天線軸）中點(diǎn)O為原點(diǎn)，在近似均勻、各向同性煤層中，P點(diǎn)的電磁波強(qiáng)度Hp為：

式中：H0為一定發(fā)射功率下的天線周圍的初始場強(qiáng)，A/m；r為觀測點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離，m；β為煤層對(duì)電磁波的衰減系數(shù)，Np/m（1 Np/m=8.686 dB/m）；θ為偶極子軸與觀測點(diǎn)方向的夾角，（°）；f（θ）為方向性因子，常量無單位，一般采用f（θ）=sinθ，而一般天線軸線與巷道平行，則取sinθ=1計(jì)算。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，取 ln（Hp）=H′p，lnH0=H′0則有 H′p=H′0-βr-lnr，當(dāng)輻射條件不變時(shí)，H′0是一個(gè)常數(shù)，衰減系數(shù)β是影響場強(qiáng)幅值的主要參數(shù)。

采用層析成像方法將接收的場強(qiáng)值進(jìn)行處理，反演算法可采用常用的代數(shù)重建技術(shù)（ART）或聯(lián)合迭代技術(shù)（SIRT），層析圖像是把每個(gè)像素的值用色塊圖、灰度圖或等值線圖等表示出來，各像素的衰減系數(shù)體現(xiàn)了介質(zhì)的物性特征，直觀顯示工作面內(nèi)的異常分布情況[9]。

1.2 高密度電法基本原理

高密度電法跟普通電法一樣，以陣列勘探電法的形式，利用地下不同介質(zhì)間的物性差異，研究人工電場作用下不同煤巖層的電性分布規(guī)律,進(jìn)而推斷不同煤巖層的地質(zhì)賦存情況。向兩供電電極A、B通以電流I，然后再通過兩測量電極M、N直接測取電位差△U，從而經(jīng)過公式計(jì)算視電阻率值ρs，最后繪制測線位置-深度-視電阻率（L-H-ρs）等值線成果圖，根據(jù)L-H-ρs成果圖中的視電阻率相對(duì)低阻異常區(qū)的分布情況來圈定異常區(qū)（或地層）[10]。溫納α法裝置如圖1。

圖1 溫納α法裝置示意圖

溫納裝置：K=2πD，K為裝置系數(shù)，常量，無單位；D為電極間距，m，AM=MN=NB=nD，n為電極距的倍數(shù)，常量，無單位。

1.3 礦井瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法或稱時(shí)間域電磁法是利用電磁感應(yīng)定律原理，將不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[11]。

礦井瞬變電磁同地面瞬變電磁原理基本一致，但由于探測環(huán)境在地下，其響應(yīng)特性為全空間電磁響應(yīng)，接收回中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為巷道空間有效探測范圍內(nèi)所有介質(zhì)巖層電性特征的綜合響應(yīng)。其視電阻率ρs的計(jì)算公式為：

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)，常量，無單位；S為接收回線面積，m2；N為線圈匝數(shù)，常量，無單位；t為時(shí)間，s；μ0為真空磁導(dǎo)率，N/A；V/I為接收的歸一化二次場電位電流比值，V/A。

一般來說，煤層的電阻率相對(duì)較高，通過往煤層中采用高壓注水，在煤層中形成裂隙改變其含水性，模擬煤層中富水區(qū)，因而導(dǎo)致煤層的視電阻率降低，煤層衰減系數(shù)增大，形成一定電性差異，這為3種方法聯(lián)合探測提供了物性條件。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西某煤礦，該礦屬于瓦斯礦井，煤層透氣性低，瓦斯含量增大，采空區(qū)積水較多。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在某工作面選取煤層穩(wěn)定區(qū)域作為探測試驗(yàn)段，本工作面回采8#煤層，工作面寬124 m其煤層平均厚度2 m。高壓注水點(diǎn)選在距離切眼150 m、距離材料巷70 m的位置，在材料巷150 m處布設(shè)1#鉆孔用于高壓注水，注水壓力10 MPa。

2.2 試驗(yàn)方案及過程

為保證多種方法聯(lián)合探測效果，設(shè)計(jì)在1#鉆孔兩邊各75 m范圍內(nèi)采用了高頻電磁波CT技術(shù)、瞬變電磁法進(jìn)行探測，為保證高密度電法的探測深度，測線布置在1#鉆孔兩邊各150 m范圍，具體探測設(shè)計(jì)如下：

1）高頻電磁波CT。發(fā)射點(diǎn)距25 m，接收點(diǎn)距5 m，工作頻率0.5 MHz，定點(diǎn)法探測。

2）高密度電法。布置在材料巷，測點(diǎn)距底板約1 m位置，電極距5 m，布置測線300 m，溫納α法。

3）瞬變電磁法。布置材料巷，測點(diǎn)間距5 m，頻率25 Hz，1.5 m×1.5 m重疊回線裝置，布置測點(diǎn)31個(gè)。

聯(lián)合探測試驗(yàn)在注水前后各探測1次，進(jìn)行對(duì)比分析研究。每種方法探測試驗(yàn)測點(diǎn)布置、探測區(qū)域的施工布置詳如圖2。高密度電法測點(diǎn)從距離切眼300 m開始布置測點(diǎn)，測點(diǎn)標(biāo)號(hào)為0#~60#共61個(gè)測點(diǎn)，瞬變電磁和高頻電磁波探測區(qū)域?yàn)?5#~45#測點(diǎn)范圍內(nèi)共31個(gè)測點(diǎn)，探測長度為150 m。

圖2 多種物探方法聯(lián)合探測布置圖

根據(jù)現(xiàn)場記錄，本次單孔最終壓入水量15 m3，注水壓力10 MPa，因足夠形成富水異常區(qū)而終止高壓注水。

3 結(jié)果分析

3.1 高頻電磁波CT探測成果分析

采集的高頻電磁波場強(qiáng)值經(jīng)過電磁波層析成像軟件處理，根據(jù)計(jì)算的衰減系數(shù)成像，注水壓裂前、壓裂后的高頻電磁波CT成果圖如圖3。圖例的色譜是自白色至藍(lán)色來體現(xiàn)電磁波場強(qiáng)衰減自弱至強(qiáng)，據(jù)圖3可知，注水前衰減系數(shù)分布均勻，可知煤層的衰減系數(shù)大致為0.415~0.416，無明顯的強(qiáng)衰減區(qū)；注水后衰減系數(shù)分布范圍迅速擴(kuò)大為0.41~0.495，衰減系縱向影響范圍在縱坐標(biāo)23～100 m。尤其在測線150 m位置、距離材料巷70 m位置附近約10 m范圍的衰減系數(shù)值明顯（大于0.47，約增幅20%）強(qiáng)于其他正常煤層區(qū)域，形成相對(duì)強(qiáng)衰減區(qū)，呈現(xiàn)明顯的條帶狀。

圖3 注水前后電磁波CT探測成果對(duì)比圖

3.2 高密度電法探測成果分析

采集電法數(shù)據(jù)應(yīng)用RES2DINV二維電阻率反演軟件進(jìn)行處理和反演，利用surfer軟件繪制成果圖，前后2次采用相同參數(shù)和成圖色譜，以方便進(jìn)行比較，注水前后電法探測成果如圖4。

據(jù)圖4可知，圖中圖例色譜是藍(lán)色至白色來體現(xiàn)視電阻率值由小到大，本次高密度電法的解釋最大深度100 m，注水壓裂前的煤層視電阻率整體分布較為均勻，無明顯低阻異常區(qū)；在注水后區(qū)域電阻率發(fā)生明顯變化，高低阻分界比較明顯，且在距離注水孔較近的橫坐標(biāo)130～170 m，縱坐標(biāo)70～100 m區(qū)域視電阻率下降明顯，在注水點(diǎn)30 m范圍內(nèi)視電阻率值降低約4倍，呈現(xiàn)相對(duì)明顯的低阻異常區(qū)，說明水在高壓作用下往前方擴(kuò)散。

3.3 礦井瞬變電磁法探測成果分析

瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，根據(jù)晚期場或全期場公式計(jì)算視電阻率曲線，然后進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換處理，得到各測線二維視電阻率斷圖，試驗(yàn)區(qū)的瞬變電磁探測二維視電阻率斷面圖如圖5。

圖4 注水前后電法探測成果對(duì)比圖

圖5 注水前后瞬變電磁法探測成果對(duì)比圖

據(jù)探測成果圖5可知，圖中圖例色譜是藍(lán)色至白色色來表示視電阻率值由低到高，注水前的探測區(qū)域整體視電阻率值分布較為均勻，符合電磁波正常衰減規(guī)律，無明顯低阻異常區(qū)；注水后視電阻率等值線圖在橫坐標(biāo)137～158 m，縱坐標(biāo)74～100 m出現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，在鉆孔終孔位置附近約20 m范圍的視電阻率值降低約2倍。但鑒于現(xiàn)場巷道為金屬架棚支護(hù)，造成本次探測視電阻率值相對(duì)較低。

4 綜合探測成果分析及驗(yàn)證

高壓注水對(duì)于煤層電性參數(shù)影響較為明顯，因注水導(dǎo)致煤層完整性變差，煤層變潮濕，原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，介電常數(shù)也發(fā)生變化。高頻電磁波在兩巷間透射探測試驗(yàn)中顯示為場強(qiáng)衰減特性變化，衰減系數(shù)值在注水孔附近增高，呈現(xiàn)局部區(qū)域衰減特性增強(qiáng)；橫向靠近注水孔兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)顯示為較強(qiáng)的衰減特征，衰減系數(shù)增幅約為20%，橫向分辨力相對(duì)較好；縱向?yàn)楦哳l電磁波層析成像算法缺陷導(dǎo)致衰減區(qū)呈現(xiàn)條帶狀，縱向分辨力低，衰減特性說明煤層富水區(qū)域?qū)Ω哳l電磁波吸收較好。高壓注水施工，不僅能增增加煤層裂，同時(shí)也由水不斷往周圍擴(kuò)散，對(duì)局部煤層視電阻率也造成很大影響。對(duì)比注水前后的高密度電法與瞬變電磁探測成果，2種物探方法在視電阻率等值線圖上都表現(xiàn)出明顯的低阻異常區(qū)，視電阻率分布顯示為低阻區(qū)由注水孔位置往運(yùn)輸巷道側(cè)的延伸，注水位置附近約30 m范圍的視電阻率降低約2~4倍，分辨力在橫向相對(duì)縱向要差。綜合物探探測成果疊加圖如圖6。通過3種物探方法綜合分析可知，水力壓裂影響范圍如圖6中矩形框所示，與正常煤層相比具有明顯的電性差異，在高頻電磁波CT探測中呈現(xiàn)強(qiáng)衰減特性，衰減系數(shù)增幅較大，橫向分辨力較好；在瞬變電磁和高密度電法探測中呈現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，富水區(qū)的視電阻率值明顯降低，縱向分辨力較好，但高壓注水也對(duì)縱向分辨力有一定影響。經(jīng)過后期鉆探驗(yàn)證和瓦斯抽放孔瓦斯測定，在注水孔附近30 m范圍內(nèi)瓦斯抽放量明顯高于其他區(qū)域，以及煤層濕潤程度明顯高于正常煤層。

圖6 綜合物探探測成果疊加圖

5 結(jié)論

1）3種物探方法的聯(lián)合探測試驗(yàn)對(duì)注水模擬的低阻異常區(qū)和水力壓裂影響范圍均有一定反映。

2）高頻電磁波CT探測成果表現(xiàn)為注水孔位置附近擴(kuò)散半徑約10 m范圍內(nèi)的衰減系數(shù)增幅20%左右，橫向分辨力較高；高密度電法和瞬變電磁法成果表現(xiàn)為注水孔擴(kuò)散半徑約30 m范圍的視電阻率降低約2～4倍，縱向分辨力較高。

3）試驗(yàn)表明，采用多種物探方法聯(lián)合探測技術(shù)對(duì)工作面富水區(qū)的探查，可以提高橫向、縱向分辨力，對(duì)水力壓力影響范圍能夠進(jìn)行初步測定。