用瞬變電磁法探測(cè)麥垛山煤礦疑似封閉不良鉆孔

張衛(wèi)軍

(神寧集團(tuán)麥垛山煤礦)

用瞬變電磁法探測(cè)麥垛山煤礦疑似封閉不良鉆孔

張衛(wèi)軍

(神寧集團(tuán)麥垛山煤礦)

麥垛山煤礦以往地質(zhì)勘探施工的個(gè)別鉆孔由于封閉不良，導(dǎo)通了直羅組底部砂巖含水層而引發(fā)突水，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。故采用瞬變電磁法(Transient electromagnetic method,TEM)對(duì)該礦130604工作面機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷范圍內(nèi)的疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行了超前探測(cè)，判斷其封閉可靠情況，并分別采取了相應(yīng)措施，有效保障了井巷安全掘進(jìn)。

瞬變電磁法 封閉不良鉆孔 超前探測(cè)

麥垛山煤礦130602工作面2#風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中，由于以往地質(zhì)勘探施工的2504鉆孔封閉不良，導(dǎo)通了直羅組底部砂巖含水層水而造成突水，最大突水量達(dá)到400 m3/h，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。在130604工作面機(jī)巷和輔運(yùn)巷附近賦存的9個(gè)地質(zhì)勘探鉆孔中，由于早期施工的鉆孔存在封閉不良現(xiàn)象或存在事故鉆孔，該類鉆孔可將煤層頂、底板各含水層溝通，當(dāng)巷道掘進(jìn)或工作面回采揭露該類鉆孔時(shí)，含水層中的水可能會(huì)通過該類封閉不良鉆孔進(jìn)入工作面，其水害具有突發(fā)性和隱蔽性，是礦井安全生產(chǎn)的重要水災(zāi)隱患。為此，本研究采用瞬變電磁法[1-3]對(duì)其中6個(gè)疑似封閉不良鉆孔進(jìn)行超前探測(cè)，判斷其封閉可靠性及富水性，在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施，保障井巷安全掘進(jìn)。

1 井下瞬變電磁法工作原理

1.1 原理特性

瞬變電磁超前探測(cè)方法又稱為時(shí)間域電磁法，具有探測(cè)方向性強(qiáng)、分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、對(duì)低阻區(qū)含水體敏感、施工快速、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，可全方位探測(cè)巷道頂板、底板、側(cè)幫和掘進(jìn)迎頭前方等方向構(gòu)造破碎帶的位置、含水巖層的賦水性情況[4-6]。YCS2000礦用瞬變電磁儀采用偶極裝置進(jìn)行探測(cè)，發(fā)射線框和接收線框?yàn)?個(gè)獨(dú)立的線框。探測(cè)時(shí)主機(jī)與發(fā)射機(jī)的間距一般大于2 m。礦井瞬變電磁法超前探測(cè)是將發(fā)射線框、接收線框垂直放置于掘進(jìn)工作面后方(圖1)，轉(zhuǎn)換不同角度則可探測(cè)掘進(jìn)頭前方或側(cè)方一定范圍內(nèi)電阻率的分布情況，據(jù)此推斷巷道掘進(jìn)工作面前方是否存在含水異常體。

圖1 TEM超前探測(cè)裝置布置

1.2 工作方法

本研究超前探測(cè)采用橫向、縱向2種扇形探測(cè)方式。橫向扇形探測(cè)方式首先使發(fā)射線框、接收線框的法線方向垂直于巷道左幫進(jìn)行探測(cè)；然后在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線框，使線框的法線方向由巷道左幫每隔一定角度向右?guī)托D(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至垂直巷道右?guī)蜑橹?，形成一個(gè)橫向的扇形測(cè)線，反向旋轉(zhuǎn)亦可(圖2(a))?？v向扇形探測(cè)方式首先使發(fā)射線框、接收線框的法線方向垂直于巷道頂板進(jìn)行探測(cè)；然后在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)線框，使線框的法線方向由巷道頂板每隔一定角度向底板旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至垂直巷道底板為止，形成一個(gè)縱向的扇形測(cè)線，反向旋轉(zhuǎn)亦可(圖2(b))。

圖2 礦井瞬變電磁法探測(cè)方式

1.3 瞬變電磁法工程設(shè)計(jì)

由于物探方法存在多解性和系統(tǒng)誤差，故本研究設(shè)計(jì)采用物探手段探測(cè)封閉不良鉆孔的成果僅能為鉆探提供一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的靶區(qū)，在此基礎(chǔ)上需采用鉆探方式進(jìn)一步驗(yàn)證物探成果的準(zhǔn)確性。

(1)測(cè)量。使用OS-602G全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量及鉆孔定位，測(cè)角精度2″，測(cè)距精度(2+2×10-6×D)(D為測(cè)距)mm。

(2)物探。超前探測(cè)6次，探測(cè)長(zhǎng)度1 800 m，側(cè)幫探測(cè)2次，探測(cè)長(zhǎng)度600 m，施工物探點(diǎn)390個(gè)。

(3)鉆探。施工探查鉆場(chǎng)6個(gè)，鉆孔17個(gè)，鉆探工程量1 280 m，安裝止水套管340 m。據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，超前探查過程中超前距與幫距可按下式計(jì)算

式中，L為幫距與超前距，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；p為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

2 工程應(yīng)用

采用側(cè)幫數(shù)據(jù)采集法，分別采集了水平方向、仰角10°方向和仰角20°方向視電阻率等值線3個(gè)斷面，其中水平方向視電阻率等值線斷面如圖3所示。3003鉆孔采用超前探測(cè)方式，巷道頂板30°方向低阻異常等值線、順層方向低阻異常等值線、底板30°方向低阻異常等值線如圖4所示，其他鉆孔采用類似方法進(jìn)行超前探測(cè)。

圖3 輔運(yùn)巷側(cè)幫水平方向視電阻率等值線斷面

圖4 3003鉆孔施工平面

側(cè)幫沿探測(cè)深度方向視電阻率整體呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)，距輔運(yùn)巷90～120m范圍內(nèi)存在多處低阻異常區(qū)，2403鉆孔超前探測(cè)時(shí)，視電阻率整體變化趨勢(shì)為高—低—高，在靠近輔運(yùn)巷位置各有一處低阻異常區(qū)。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，低阻異常區(qū)終孔涌水量均小于1 m3/h，鉆孔少量涌水為6#煤層頂板砂巖含水層水，在有效探查區(qū)域范圍內(nèi)排除存在封閉不良鉆孔的可能。在巷道實(shí)際掘進(jìn)過程中，已安全通過探查區(qū)域。

3003鉆孔瞬變電磁超前探測(cè)預(yù)報(bào)迎頭前方20～100 m范圍內(nèi)頂板30°、順層和底板30°方向各存在一處低阻異常區(qū)，命名為A異常區(qū)。異常強(qiáng)度沿頂板30°—順層—底板30°方向呈逐漸減弱的變化特征，異常范圍基本一致。頂板30°方向迎頭前方30～60 m附近存在一局部異常，異常強(qiáng)度強(qiáng)。結(jié)合已有探測(cè)資料，迎頭前方50 m處附近存在3003鉆孔，恰好位于頂板30°方向A異常區(qū)迎頭前方30～60 m位置的局部異常邊界附近，推斷A異常區(qū)可能為3003鉆孔漏水使附近巖層相對(duì)富水或相應(yīng)位置裂隙發(fā)育局部富水的反應(yīng)。該段巷道在掘進(jìn)過程中制定了安全掘進(jìn)方案，并采取了安全技術(shù)措施，在3003鉆孔3 m范圍內(nèi)，幫錨桿眼出現(xiàn)37 ℃的淋水，涌水量達(dá)3 m3/h，驗(yàn)證了A異常區(qū)的存在，根據(jù)水溫判斷3003鉆孔下部封孔不良，可判定該鉆孔為封孔不良鉆孔。

3 結(jié) 語

以麥垛山煤礦130604工作面為例，對(duì)該工作面機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷范圍內(nèi)的疑似封閉不良鉆孔采用瞬變電磁法進(jìn)行了探測(cè)，有效發(fā)現(xiàn)了封孔不良鉆孔，并采取了相應(yīng)的安全措施，基本控制了封閉不良鉆孔的水害威脅，保障了井巷掘進(jìn)安全。

[1] 侯世占.桑樹坪煤礦11#煤層底板水文地質(zhì)探查方案[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(8)：230-232.

[2] 張德輝，朱帝杰.利用綜合物探法精準(zhǔn)探測(cè)張嶺采空區(qū)[J].金屬礦山，2015(10)：163-167.

[3] 張繼忠，康 健，代少軍，等.礦井瞬變電磁全空間多匝小回線超前探水[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(2)：173-176.

[4] 劉志新，于景樹，郭 棟.礦井瞬變電磁法在水文鉆孔探測(cè)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2006(1)：59-61.

[5] 馬俊學(xué)，陳 劍，滕永波.金屬礦山巷道地球物理超前預(yù)報(bào)方法研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬礦山，2016(4)：1-12.

[6] 管 洪，劉 超，姜佩文.工作面迎頭瞬變電磁法探測(cè)及探放水設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(6)：95-97.

2016-08-01)

張衛(wèi)軍(1972—)，男，高級(jí)工程師，750408 寧夏銀川市。