瞬變電磁勘探法在礦井注漿堵水中的應(yīng)用

楊勝倫，劉惠洲

(1.貴州省自然資源廳地質(zhì)勘查處，貴陽(yáng) 550001； 2.六盤水市水資源管理中心，貴州六盤水 553000；3.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，合肥 231202)

0 引言

地下水的涌出一直是制約地下工程安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要因素，礦井涌水不僅給井建、巷道掘進(jìn)以及機(jī)電設(shè)備的管理帶來困難，嚴(yán)重時(shí)還可能造成淹井事故和人員傷亡[1]。因此，查明礦山涌水的水源和導(dǎo)水通道一直是地下工程的一項(xiàng)重要課題[2]。長(zhǎng)期以來，大量的學(xué)者及工程技術(shù)人員進(jìn)行了不懈的努力，將多種技術(shù)方法用于地下工程注漿堵水領(lǐng)域，取得了較好效果[3-6]。鉆探是一種最直接的探查隱蔽致災(zāi)技術(shù)，它具有精度高、直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)造探測(cè)、老空區(qū)探測(cè)、探放水、瓦斯泄壓、火區(qū)探測(cè)以及其他隱蔽致災(zāi)因素探查中發(fā)揮著越來越重要的作用[7]。和鉆探相比，地球物理勘探具有設(shè)備輕便、成本低、效率高、工作空間廣等優(yōu)點(diǎn)[8]。近年來，采用物探與鉆探相結(jié)合的勘探方式，在工程領(lǐng)域受到廣大工程技術(shù)人員的青睞[9-10]。瞬變電磁法具有速度快、設(shè)備輕便、橫向分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水文物探領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。筆者以某礦淹井事故注漿堵水鉆孔設(shè)計(jì)為背景，介紹瞬變電磁勘探與鉆探相結(jié)合的注漿堵水效果。

1 研究背景

101工作面為某礦技改擴(kuò)建后的首采工作面(圖1)，走向長(zhǎng)460m，切巷長(zhǎng)110m，煤厚約10m，煤層傾角約20°，采用綜采放頂煤工藝進(jìn)行回采。101工作面南部為古火燒區(qū)，為了降低火燒區(qū)積水對(duì)工作面回采的影響，在101工作面與火燒區(qū)間留足了60m以上的防(隔)水煤柱。在回風(fēng)巷掘進(jìn)至切巷位置時(shí)，揭露一條近南北走向的裂隙，有滲水跡象。工作面布置完成后，對(duì)回風(fēng)順槽裂隙進(jìn)行處置，試采6m出現(xiàn)工作面頂板涌水，涌水水量較大。采取相應(yīng)措施后，繼續(xù)回采約15m，礦井涌水量進(jìn)一步加大，礦方立即組織撤離。由于供電質(zhì)量差、線路壓降大，新安裝水泵不能正常運(yùn)行，造成排水能力不足，最終造成淹井，預(yù)計(jì)礦井儲(chǔ)存水量約60 000m3，最大涌水量約為800m3/h。經(jīng)水化學(xué)分析，礦井水來源于火燒區(qū)積水。

礦井南部的火燒區(qū)露頭相對(duì)廣闊，而流經(jīng)井田范圍的河流有可能存在補(bǔ)給聯(lián)系，推斷該工作面南部火燒區(qū)變質(zhì)角礫巖裂隙水儲(chǔ)量較大，單純依靠強(qiáng)排水難以解決問題。為減少排水費(fèi)用，盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)，決定在該工作面出水位置附近布置地面鉆孔進(jìn)行注漿封堵，充填火燒區(qū)與工作面之間的過水通道并對(duì)周邊火燒區(qū)進(jìn)行注漿加固，切斷工作面與火燒區(qū)的水力聯(lián)系。為了盡快完成堵水，恢復(fù)礦井生產(chǎn)，降低損失，需要減少鉆探無效進(jìn)尺，經(jīng)研究采用物探先行查明過水通道，再根據(jù)過水通道發(fā)育情況進(jìn)行注漿堵水。

圖1 101工作面布置及井上下對(duì)照?qǐng)DFigure 1 Working face No.101 layout and surface-underground contrast plan

2 過水通道瞬變電磁探測(cè)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，井下巷道已完全淹沒，不具備井下施工條件。礦井主涌水通道位于工作面回風(fēng)順槽與切巷交接點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)地表地形相對(duì)平緩，東南部溝谷發(fā)育，地形陡峭，落差較大，植被為淺草，探測(cè)目標(biāo)預(yù)測(cè)距離地表為280～320m。采用直流電法探測(cè)，深度不能覆蓋涌水點(diǎn)，適宜采用地面瞬變電磁進(jìn)行探測(cè)。

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)布置

受東南部山谷的影響，測(cè)線主要布置于首采工作面南部。測(cè)網(wǎng)覆蓋101工作面回風(fēng)順槽南部區(qū)域，如圖2所示。由于探測(cè)范圍小，精度要求高，采用大線圈瞬變電磁法(大定源法)，其勘探精度不能滿足要求；若采用小線框探測(cè)，其勘探深度又受限制。經(jīng)反復(fù)模擬測(cè)試， 決定采用大電流多匝小線框進(jìn)行勘探。瞬變電磁測(cè)網(wǎng)采用5m×5m網(wǎng)格，測(cè)點(diǎn)數(shù)為400個(gè)物理點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用邊長(zhǎng)為5m的重疊回線裝置，發(fā)射線框18匝，接收線框36匝，供電電壓48V可滿足現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)需求。

圖2 瞬變電磁測(cè)線布置圖Figure 2 TEM survey lines layout

2.2 探測(cè)成果

結(jié)合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取順煤層切片數(shù)據(jù)，形成探測(cè)成果如圖3所示。因礦井突水位置發(fā)生在回風(fēng)順槽與切巷交叉位置附近，通過視電阻率分布情況，可以得出巖層含(導(dǎo))水通道的分布及發(fā)育特征如圖4所示。101工作面回采面附近存在視電阻率小于25Ω·m與南部火燒區(qū)相連的區(qū)域，寬度大于20m，推測(cè)為主要導(dǎo)水通道，導(dǎo)水性強(qiáng)。回風(fēng)順槽末端東南部存在視電阻率小于50Ω·m與東南方向火燒區(qū)相連的區(qū)域，寬度小于5m，推測(cè)為次要導(dǎo)水通道，導(dǎo)水性較強(qiáng)。

圖3 瞬變電磁探測(cè)成果圖Figure 3 TEM prospecting results

圖4 導(dǎo)水通道分布圖Figure 4 Water conducted channel distributions

3 注漿堵水鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及探測(cè)成果，共設(shè)計(jì)鉆孔5個(gè)，其中主通道布置鉆孔4個(gè)，次通道布置鉆孔1個(gè)，如圖5所示。為了保證堵水效率，提升堵水效果，必須對(duì)本次注漿的壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制，既要滿足充填裂隙，封堵含水層、破碎帶和漿液擴(kuò)散對(duì)注漿壓力的要求，還要保證不能使太多的水泥漿液進(jìn)入采空區(qū)埋沒綜采支架。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)確定為注漿泵量不大于40L/min，泵壓不小于水壓的2倍。堵水鉆孔施工順序?yàn)镾J2、SJ1、SJ3、SJ4、SJ5。在注漿堵水過程中，可以酌情增加或減少鉆孔數(shù)量,鉆孔深度進(jìn)入煤層底板下5m。

圖5 設(shè)計(jì)鉆孔布置圖Figure 5 Designed boreholes layout

4 堵水效果評(píng)價(jià)

在整個(gè)注漿堵水工程中共進(jìn)行三次(試)排水，并對(duì)排水期間及停排水位恢復(fù)期間水位變化進(jìn)行了詳細(xì)的記錄如圖6所示，對(duì)堵水效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

圖6 注漿前后礦井水位變化對(duì)比圖Figure 6 Mine water level variations contrast before and after grouting

SJ1、SJ2鉆孔注漿結(jié)束后，進(jìn)行了第一次試抽水，礦井水位下降緩慢，最終穩(wěn)定在標(biāo)高907m左右，停抽后，水位恢復(fù)曲線與淹井時(shí)水位曲線基本一致。SJ3、SJ4鉆孔注漿結(jié)束后，進(jìn)行了第二次抽水，效果明顯優(yōu)于第一次抽水時(shí)的效果，但礦井涌水量依然不低于200m3/h，不利于井底水倉(cāng)的恢復(fù)。待鉆孔全部結(jié)束后，進(jìn)行正式排水，水位曲線下降明顯。經(jīng)測(cè)算，礦井殘留涌水量小于170m3/h，扣除101工作面涌水前礦井正常排水量67m3/h，出水點(diǎn)殘留水量約103m3/h，礦井排水能力已能滿足抽排水要求。經(jīng)研究決定正式進(jìn)行復(fù)工復(fù)產(chǎn)。從鉆孔施工到礦井恢復(fù)生產(chǎn)，耗時(shí)六個(gè)月，極大地縮短了礦井恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間，降低了損失。

5 結(jié)論

采用物探成果對(duì)鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效減少鉆探工作量，提高注漿堵水效率。采用物探與鉆探相結(jié)合的注漿堵水思路不僅有效、效率高，而且經(jīng)濟(jì)可行，值得大力推廣。物探與鉆探相結(jié)合的方式，有效避免了鉆探工作的盲目鉆進(jìn)，同時(shí)也為能有效檢驗(yàn)物探成果，為物探定性到定量發(fā)展提供數(shù)據(jù)和試驗(yàn)支撐。