鉆孔超前探水技術(shù)在井下掘進(jìn)巷道中的應(yīng)用研究

郝衛(wèi)青

（朔州煤電應(yīng)急防控中心 ，山西 朔州 037000）

我國煤炭主要以井下開采為主，且賦存條件較為復(fù)雜，導(dǎo)致了煤礦開采效率不高，安全事故頻發(fā)。井下開采存在著熔巖空洞、熔巖管道、斷層、褶皺等復(fù)雜的地質(zhì)條件，即使發(fā)生小規(guī)模的地質(zhì)異變，往往能夠引起較大的安全事故。針對這些地質(zhì)異變情況，如果前期不能做出科學(xué)合理的探測預(yù)報(bào)，就會直接影響后續(xù)開采以及水害防止等工作，甚至對煤礦安全高生產(chǎn)造成重大影響[1]。針對上述問題，本文對鉆孔超前探水技術(shù)在掘進(jìn)巷道中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 煤礦地質(zhì)及開采概況

1.1 地表特征

針對礦區(qū)形成的采空區(qū)，為了防止在礦井掘進(jìn)過程中發(fā)生突水和涌水等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防，需要對采空區(qū)的積水量和積水范圍進(jìn)行詳實(shí)的了解。該工作礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之采空區(qū)和淺埋煤層的不規(guī)范開采，地面形成了大量開裂現(xiàn)象。地表工程施工、自然溝壑以及原始資料的缺失，對常規(guī)的電法手段探測手段造成很大困難。

由于孔內(nèi)物探法對地形的適應(yīng)性更強(qiáng)，可以對隱患區(qū)進(jìn)行更好的探測，因此選用YZT6鉆孔超前探水物探儀對采空區(qū)積水進(jìn)行探查[2]。

1.2 采空區(qū)的分布特征

由于礦區(qū)內(nèi)原有的小煤礦煤層露頭周圍存有大量老硐，且礦井基礎(chǔ)設(shè)施陳舊，支護(hù)簡陋，開采巷道長度較短，大部分在100～300 m范圍內(nèi)，且垂直深度較淺。由于開采中采用房柱式開采，致使采空區(qū)在分布較為凌亂，且采空區(qū)大部分充水。采空區(qū)孤立、充水的地質(zhì)特征，是選用鉆孔超前物探儀另一個重要原因[3]。

1.3 地層地質(zhì)條件

該礦區(qū)的煤系地層電學(xué)性質(zhì)特征表見表1[4]。

2 電法探測理論基礎(chǔ)

2.1 電阻率法理論分析

由于不同地質(zhì)之間存在不同的電性差異，這種差異就會造成人工穩(wěn)定電流場的電場出現(xiàn)不同規(guī)律的分布，電阻率法正是基于地質(zhì)電性差異來研究地質(zhì)問題[5]。

表1 煤系地層電學(xué)性質(zhì)特征表

圖1 探測原理圖

圖1 所示為探測原理圖，假設(shè)四周均勻且各向同性的半空間巖體的電阻率為ρ1,掌子面為P，其前方為一球體狀的地下隱患，球體內(nèi)介質(zhì)電阻率為ρ2。當(dāng)球內(nèi)介質(zhì)為空氣時(shí)，ρ2＞ρ1；介質(zhì)為水或者泥沙時(shí)ρ2＜ρ1。

以球中心的電位為零電位，則沿著電流場方向從球外側(cè)到球中心任意一點(diǎn)的電位可表達(dá)為下式：

式中：U為任意點(diǎn)的電位，V；ρ1為為半空間巖體的電阻率；ρ2為球體內(nèi)介質(zhì)電阻率；r0為掌子面前方為球體狀的地下隱患半徑，m；r為球體中心到觀測點(diǎn)間的距離，m；j0為均勻電流場的電流密度，A/m2。

電場強(qiáng)度E的表達(dá)式為：

電場強(qiáng)度異常百分比的表達(dá)式為：

在電法勘探中，地下空間任何點(diǎn)的電場強(qiáng)度E與視電阻率ρs間的關(guān)系式為：

從上式可以看出，任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度E可以通過視電阻率來進(jìn)行描述，同樣，電場強(qiáng)度的異常變化率也可通過視電阻率異常變化率進(jìn)行體現(xiàn)[6]。

假如球狀異常體內(nèi)介質(zhì)為水，即儲水隱患，異常球體半徑為5m，探測電流密度為0.1m A/m2，圍巖電阻率為1000Ω·m，探測距離從距球心100m處開始，不斷靠近球體。可以計(jì)算出電場強(qiáng)度，具體如圖2所示，可以看出隨著距離不斷接近球體中心，電場強(qiáng)度不斷增大，越靠近球體中心處，電場強(qiáng)度增長越快[7]。

圖2 低阻體

2.2 煤礦鉆孔超前探水技術(shù)原理

鉆孔超前探水技術(shù)主要是在煤礦巷道沿著掘進(jìn)方向進(jìn)行鉆孔，將測量探頭緩慢深入孔底，對鉆孔周圍以及孔底30m范圍內(nèi)進(jìn)行探測預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔全方位超前探水功能。選用的探測儀器可以通過電導(dǎo)率法和激發(fā)極化法同步進(jìn)行，通過對采集的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終對富水體等有害地質(zhì)進(jìn)行有效的探測預(yù)報(bào)。該方法多頻點(diǎn)同時(shí)發(fā)射，等頻點(diǎn)同時(shí)接收的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)對微弱信號較為敏感，是一種較好的巷道超前探水方法。

3 鉆孔超前物探技術(shù)探測應(yīng)用與效果

3.1 鉆孔參數(shù)的選擇

圖3 鉆孔布置圖

試驗(yàn)中選用YZT6鉆孔超前探水儀對工作面2206回風(fēng)順槽進(jìn)行探測，有效探測距離為100m，孔徑為60mm；點(diǎn)距為1m。根據(jù)前期探測資料顯示，2206回風(fēng)順槽上部約45m沒有發(fā)現(xiàn)水患現(xiàn)象。但是因?yàn)榛仫L(fēng)順槽存上部在積水，有必要對上部空區(qū)進(jìn)行探放水工作，明確積水范圍和積水量。鉆場位置設(shè)置在回風(fēng)巷掘進(jìn)頭處，4個探水孔中，1#-3#為試驗(yàn)孔，4#為驗(yàn)證孔。1#孔沿著掘進(jìn)面方向，傾角為0°，深度為60m；2#孔與1#孔夾角15°，深度為70m；3#孔與1#孔夾角30°，深度為70m；4#孔與1#孔夾角45°，深度為71m。具體位置如圖3所示。

3.2 勘探效果分析

本試驗(yàn)采用YZT6專用鉆孔超前探水設(shè)備，主要用視電導(dǎo)率和視極化率兩個參數(shù)作為探水效果評價(jià)數(shù)據(jù)。圖4所示為1#孔試驗(yàn)探測數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，1#孔在傾角0°方向，沿著掘進(jìn)方向49m內(nèi)，視電導(dǎo)率和視極化率曲線整體變化趨勢較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)突變較大的峰值，說明在1#孔周圍40m左右范圍內(nèi)，沿著掘進(jìn)方向49m段沒有出現(xiàn)異常的地質(zhì)隱患。

圖4 1#孔探測數(shù)據(jù)圖

圖5 所示為2#試驗(yàn)探測數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，在鉆孔傾角15°方向，0～60 m深度范圍內(nèi)，視電導(dǎo)率和視極化率曲線整體變化趨勢較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)突變較大的峰值，說明在2#孔軸心半徑40m左右范圍內(nèi)，沿著掘進(jìn)方向60m段沒有出現(xiàn)異常的地質(zhì)隱患。但是當(dāng)掘進(jìn)深度至63m左右時(shí)，視極化率出現(xiàn)劇烈變化，同時(shí)視電導(dǎo)率也明顯增大，說明此段存在地質(zhì)隱患，推測周邊存在裂隙導(dǎo)致的低租異常隱患。

圖5 2#孔探測數(shù)據(jù)圖

圖6 所示為3#孔試驗(yàn)探測數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，視極化率在孔深45m、59m處出現(xiàn)兩次明顯峰值。在45m處，視極化率變化的同時(shí)，視電導(dǎo)率也出現(xiàn)較小的同步變化，推辭在45m處存在一定量的裂隙水；在59m處視極化率發(fā)生較大變化，但同時(shí)視電導(dǎo)率數(shù)據(jù)平穩(wěn)且數(shù)值較低，推測在孔深59m處可能存在含水體，建議在該位置進(jìn)行進(jìn)一步的探水鉆孔措施。

圖6 3#孔探測數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 語

本文分析了電法探測的探測原理，并對礦井的2206回風(fēng)槽應(yīng)用YZT6鉆孔超前探測儀進(jìn)行了實(shí)際探測。采用視極化率和視電導(dǎo)率兩個參數(shù)進(jìn)行隱患評估。探測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，掘進(jìn)方向存在3處異常點(diǎn)，具體為2#孔63m處，3#孔45m和59m處。分析后推測，在中心半徑40m范圍內(nèi)，2#孔63m和3#孔45m處存在裂隙導(dǎo)致的低租異常體，3#孔59m處存在采空區(qū)或者冒落區(qū)引起的含水體可能性較大。