瞬變電磁法在東溝煤礦水文地質(zhì)勘探中的應用

曹亞濤

摘 要：瞬變電磁探測技術(shù)是探測富水區(qū)域的一個簡單有效的手段，東溝煤礦基于瞬變電磁儀探測數(shù)據(jù)成圖分析各種水害的水力形態(tài)和各種干擾顯示，根據(jù)掘進巷道所處位置和富水類型，分析富水區(qū)影響形態(tài)類型。按照影響形態(tài)類型和范圍，按照瞬變電磁探測有效性、積水量、水壓、排水能力、安全距離以及其他災害的評估，論證富水區(qū)域與掘進的安全關(guān)系。希望研究結(jié)果能夠為廣大同行提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁;東溝煤礦;水文地質(zhì)勘探

1 ? ?東溝煤礦基本情況

1.1 ?東溝煤礦簡介

東溝煤礦位于距離呼圖壁縣城正南56 km處的天山北麓石梯子小西溝呼圖壁林場一帶，礦區(qū)面積為11.82 km2，生產(chǎn)能力為90萬噸/年。礦井劃分3個水平，現(xiàn)開采一水平（+1 450 m 以上）劃分為一個雙翼采區(qū)，階段垂高為136～185 m[1-2]。

井田內(nèi)共含編號可采煤層5層，由下而上依次為B1、B2、B3、B41、B42。其中，B1、B41為大部可采煤層，其他的B2、B3、B42為全區(qū)可采煤層，煤層傾角為10°～15°，傾向10°～25°，現(xiàn)開采最上面的B42煤層。

1.2 ?含煤巖層和含隔水層簡介

含煤巖層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組（J2x），為一套為河流相、泥炭沼澤相沉積，由灰色、深灰色砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層組成，與上覆侏羅系中統(tǒng)頭屯河組呈整合接觸。

井田共劃分6個含（隔）水層（段），分別為第四系全新統(tǒng)坡積透水不含水層、第四系全新統(tǒng)洪沖積孔隙潛水含水層、中侏羅統(tǒng)頭屯河組裂隙孔隙含水層、中侏羅統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙含水層、下侏羅統(tǒng)三工河組相對隔水層、燒變巖裂隙潛水含水層。其中，中侏羅統(tǒng)頭屯河組裂隙孔隙含水層為間接充水含水層，中侏羅統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙含水層為為直接充水含水層，位于礦區(qū)南部的燒變巖裂隙潛水含水層對老井有較大影響、對新井影響較小。

地質(zhì)勘探鉆孔水文抽水試驗的結(jié)果：單位涌水量（q）為0.007 54～0.210 00 L/s·m，滲透系數(shù)（K）為0.005 81 ～0.255 00 m/d。因此，西山窯組含水層富水性為弱到中等，透水性弱，但局部存在富水異常區(qū)域。

礦井充水的主要因素為地層巖性、構(gòu)造、火燒層、河溝水、大氣降水及暫時性地表水流。其中，地層巖性和構(gòu)造影響較大，火燒區(qū)影響新井的能力有限，在工作面臨近東溝河時，東溝河存在一定的側(cè)向補給能力。

2 ? ?瞬變電磁儀探測結(jié)果水力形態(tài)顯示

東溝煤礦在生產(chǎn)過程中根據(jù)富水區(qū)積水位置分為頂板砂巖水、采空區(qū)水、斷層（構(gòu)造）水。

2.1 ?頂板砂巖水

頂板砂巖水主要賦存在頂板巖層裂隙或孔隙中，存在形態(tài)視裂隙或孔隙分布情況而定。

2.2 ?采空水

掘進巷道臨近采空區(qū)積水區(qū)，采空區(qū)積水需要提前疏放以保證安全生產(chǎn)。采空區(qū)水一般都沿煤層走向，以條帶狀存在，在巷道連續(xù)起伏的情況下，也可能以不連續(xù)的塊狀存在。在地質(zhì)資料、測量數(shù)據(jù)都清楚的情況下，采空區(qū)積水區(qū)域易確定形態(tài)、位置、積水標高和積水量。

2.3 ?構(gòu)造（斷層）水

東溝煤礦成煤環(huán)境為沉積環(huán)境，未發(fā)現(xiàn)能形成巖溶地貌的地層，構(gòu)造水以斷層水居多。因為斷層含水量不一，不含水的斷層在瞬變電磁探測過程中呈現(xiàn)高阻（a）;含水的斷層沿著斷煤交線易形成條帶狀視電阻異常區(qū)域（b）（見圖1）。

2.4 ?干擾顯示

2.4.1 ?雜物干擾

巷道在掘進的過程中，掘進機、電纜、物料等基本都處于同一位置，每次瞬變電磁探測在某一位置重復出現(xiàn)視電阻異常區(qū)域，并且此區(qū)域在重疊探測和鉆探中無異常，此區(qū)域就是由固定物體干擾形成的，在實際中需要經(jīng)過多次驗證后總結(jié)[4-6]。

2.4.2 ?底板積水干擾

現(xiàn)在，瞬變電磁探測設(shè)備受技術(shù)的影響，線圈沒有定向識別的功能，一般探測過程中以法線45°為分界線。0°～45°為向上識別，大于45°為向下識別。當?shù)装宕嬖诜e水、法線傾角較大時，易識別底板，形成頂板顯示視電阻異常區(qū)域，出現(xiàn)結(jié)果顯示頂板存在大面積富水區(qū)。

3 ? ?影響形態(tài)分析

按照層位關(guān)系掘進時主要分為采空區(qū)水、頂板水（包含構(gòu)造水）、底板水。

3.1 ?頂板水（包含構(gòu)造水）

巷道在掘進過程中，對原有煤巖層結(jié)構(gòu)造成破壞，壓力重新分布，在壓力等多重因素的影響下產(chǎn)生裂隙，裂隙溝通富水位置造成巷道出、淋、滴水等現(xiàn)象。在巷道頂板巖性為泥質(zhì)膠結(jié)時，嚴重影響巷道支護質(zhì)量、支護強度。

按照富水區(qū)域與巷道的關(guān)系分為以下幾種：

（1）當頂板存在富水區(qū)，并且頂板裂隙等構(gòu)造不發(fā)育、掘進巷道是平巷時，富水區(qū)域主要對正下方造成影響，側(cè)向影響主要由水壓、水量、煤巖層性質(zhì)等決定。

（2）當頂板存在富水區(qū)，并且頂板裂隙等構(gòu)造不發(fā)育、掘進巷道是下坡時，富水區(qū)域會隨著掘進面移動，直到巷道低洼點開始起坡，即“水跟緊下坡掘面”。

（3）當頂板存在富水區(qū)，并且頂板裂隙等構(gòu)造不發(fā)育、掘進巷道是上坡時，富水區(qū)域有時會在頂、底板同時出水，直至掘進遠離富水區(qū)。

3.2 ?采空區(qū)水

采空區(qū)水一般位于掘進面正上方或斜上方，當掘進巷道與采空區(qū)之間裂隙等構(gòu)造不發(fā)育時，采空區(qū)主要影響正下或斜下方掘進巷道，對周邊影響有限（見圖2）。

3.3 ?底板水

在掘進過程中，巷道存在局部向斜和背斜，在巷道下方含隔水層以互層的形式存在，巷道在局部存在底板水，在瞬變電磁探測過程中顯示無高程富水區(qū)域，底板以慢滲出水為主（壓力過大時，出水形態(tài)為股狀），如圖3所示。

4 ? ?安全應用

按照水害處理的程序和以下步驟進行評估：

4.1 ?瞬變電磁探測的有效性評估

瞬變電磁儀在使用過程中易受到鐵器、電纜（電磁場）、積水等影響。在瞬變電磁探測成圖后，按照數(shù)據(jù)成圖與水力相態(tài)顯示進行比對，形成有效的三維圖片和需要的切片圖片。按照富水層位和煤巖層特性對成圖進行分析，如砂巖含水層，在數(shù)據(jù)成圖上盡可能排除干擾項，然后進行驗證。

4.2 ?積水量、水壓評估

按照數(shù)據(jù)成圖，預估最大水壓，按照積水范圍三維長度和煤層裂隙率換算積水量。

4.3 ?排水能力評估

疏放水鉆孔在孔口都安裝了截止閥，一般情況下，對排水系統(tǒng)沒有太高要求。在考慮掘進安全的情況下，綜合考慮經(jīng)濟性，一般要求在最大排水能力下疏放水。即單孔出水量為：

（1）

式中：q—鉆孔涌水量，m3/s;c—流量系數(shù)，取0.6;ω—鉆孔斷面積，m2（煤礦防治水細則規(guī)定鉆孔最大直徑為94 mm）;g—重力加速度，9.8 m/s2;H—鉆孔出水口的水頭高度?？紤]鉆孔出水時水頭高度不斷變小，屬非穩(wěn)定流狀態(tài)，可取探放水最大水頭高度的40%～45%計算平均涌水量。

按照公式Q=n×q計算總出水量。

根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計規(guī)范》，反算出需要的水泵臺數(shù)、揚程、排水管管徑。

4.4 ?安全距離評估

按照以下公式計算安全距離：

（2）

式中：a—超前距離，m;L—巷道的跨度（寬或高，取其最大者），m;Kp—煤的抗張強度，MPa，取1.15 MPa;P—煤、巖層承受的靜水壓力，MPa，取值0.1 MPa; A—安全系數(shù)，一般取2～5，本設(shè)計取5。

4.5 ?其他災害的評估

東溝煤礦在生產(chǎn)過程中，伴隨水出現(xiàn)瓦斯，往往會出現(xiàn)水大瓦斯高的現(xiàn)象。特別是在向斜軸部存在富水異常區(qū)域時，存在的由細砂巖、粉砂巖與炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成的隔水層，在富水區(qū)域煤層氣受水力封閉作用而富集，煤層含氣量較高。水的存在可以對煤層甲烷向淺部的運移產(chǎn)生一定阻力，減緩煤層氣的運移速度。富水區(qū)域在受采掘影響疏干后留下裂隙，導致瓦斯從采掘作業(yè)處逸出，引發(fā)瓦斯“局部異?！?。因此，在疏放水過程中一定要注意瓦斯異常涌出和局部超限。

[參考文獻]

[1]新疆天地華泰采礦工程技術(shù)股份有限公司.新疆準南煤田呼圖壁縣石梯子東溝煤礦水文地質(zhì)類型劃分[Z].2018.

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