物探技術(shù)在超前探測(cè)礦井含水層富水性中的應(yīng)用

趙磊，胡建華，周坦，敖長(zhǎng)金，吳曉明，王德華，敖美玲

(1.湖北三寧礦業(yè)有限公司，湖北 宜昌市 443100；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

礦井涌水、突水、透水等水害會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全和施工進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，水害的超前預(yù)測(cè)對(duì)礦山資源開(kāi)采具有重要意義。雖然鉆探方法探測(cè)準(zhǔn)確，但只能探測(cè)鉆孔及其周?chē)牡刭|(zhì)狀況，增加鉆孔又會(huì)增加勞動(dòng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)鉆探時(shí)間、增加施工成本，不能完全預(yù)測(cè)工作面前方的含水情況，且鉆探鉆孔易成為導(dǎo)水通道，存在潛在的誘發(fā)突水風(fēng)險(xiǎn)。

瞬變電磁法具有體積小、方向性強(qiáng)、施工便捷、探水距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，對(duì)高阻圍巖內(nèi)的含水構(gòu)造有較高的分辨能力，當(dāng)巖層完整性發(fā)生較大變化，或存在較多的裂隙孔隙，巖層電阻率會(huì)顯著升高，或者呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性；若上述裂隙區(qū)被水充填，巖層之間原來(lái)幾乎絕緣的空隙再次被連接，巖層的電阻率顯著下降，這樣就會(huì)使得富水區(qū)域表現(xiàn)出明顯的低電阻特性，能夠較準(zhǔn)確地探查采掘工作面前方富水異常區(qū)域和含水地質(zhì)異常體及其含導(dǎo)水性，為井下水害預(yù)報(bào)和防治提供有效的技術(shù)指導(dǎo)[1-3]。因此，在礦井日常防治水工作時(shí)，預(yù)先進(jìn)行物探超前探測(cè)，然后對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，做到有的放矢，極大提高了探水效率，確保安全的同時(shí)可顯著降低探水成本[4]。麻坪磷礦550斜坡道掘進(jìn)至震旦系上統(tǒng)燈影組含水層時(shí)，為了確?？焖侔踩蜻M(jìn)，真正做到“有疑必探、先探后掘”，采用瞬變電磁法超前探測(cè)作業(yè)面迎頭前方150 m的低阻體異常及分布范圍，分析探測(cè)區(qū)內(nèi)含水構(gòu)造形態(tài)及水力聯(lián)系，有針對(duì)性地布置鉆探。本文對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用和取得效果進(jìn)行了闡述和總結(jié)，可為類(lèi)似礦井含水層的富水性探測(cè)提供借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工作原理

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)是礦山工程領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的重要勘探手段之一，以法拉第電磁感應(yīng)原理為工作原理，在礦井內(nèi)硐室、巷道、采場(chǎng)或掘進(jìn)迎頭向預(yù)探測(cè)方向發(fā)射脈沖電磁波，在脈沖時(shí)間的間隔期，通過(guò)感應(yīng)線圈或接地極等設(shè)施來(lái)進(jìn)行觀測(cè)、剖析介質(zhì)所產(chǎn)生的二次感應(yīng)場(chǎng)，根據(jù)探測(cè)介質(zhì)電阻率的變化規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)異常地質(zhì)體的分布和狀態(tài)。地下工程中的巖體、礦體、含水和導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能、磁性千差萬(wàn)別，由這些不同的地質(zhì)體引起的渦流而產(chǎn)生的二次感應(yīng)場(chǎng)就可分析預(yù)測(cè)地下礦體的賦存狀態(tài)以及含水性、導(dǎo)水性等地質(zhì)構(gòu)造情況[5-6]。

2 地下礦山應(yīng)用的特殊性

與地面工程相比，地下礦山瞬變電磁具有顯著的巖土工程行業(yè)特點(diǎn)。因井下巷道內(nèi)存在如照明、防塵灑水、注漿、錨網(wǎng)、礦用工字鋼、管道電纜等各種金屬材料，這些材料將對(duì)礦井瞬變電磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，這是與地面工程環(huán)境應(yīng)用瞬變電磁法的顯著區(qū)別。由于受井下作業(yè)環(huán)境和空間的限制，采用小線圈裝置，數(shù)據(jù)采集較為便捷且采集效率高[7]。

3 探測(cè)方案

本探測(cè)方案的工作布置方法如下。

沿作業(yè)面迎頭布置3條測(cè)線，分別為頂板（斜向上30°方向）、順層方向和底板（斜向下30°方向），如圖1所示。根據(jù)工程需要，每條測(cè)線上設(shè)置 11個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，合計(jì)33個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。利用在掘進(jìn)迎頭移動(dòng)發(fā)射接收線圈，形成3個(gè)方向的視電阻率斷面扇形圖。

圖1 勘探測(cè)線縱剖面布置

圖2 勘探測(cè)線橫剖面布置

4 探測(cè)成果釋義

4.1 作業(yè)面30°斜向上（頂板）視電阻率斷面扇形圖釋義

圖3為作業(yè)面掘進(jìn)頭30°斜向上（頂板）視電阻率探測(cè)扇形剖面，解譯如下：

圖3 作業(yè)面掘進(jìn)頭30°斜向上視電阻率斷面

（1）該條測(cè)線的左幫40～150 m，角度在左幫0～5°之間，存在低阻異常區(qū)域（已用紅色線圈出）；

（2）該條測(cè)線的左幫100～150 m，角度在左幫 35°～55°之間，存在低阻異常區(qū)域，（已用紅色線圈出）；

（3）該條測(cè)線的正前、右?guī)?0～150 m，角度在右?guī)?90°～180°之間，存在低阻異常區(qū)域（已用紅色線圈出）。

4.2 作業(yè)面順層方向視電阻率斷面扇形圖順層方向釋義

圖4為作業(yè)面掘進(jìn)頭前方順層方向視電阻率探測(cè)扇形剖面圖，解譯如下：

圖4 作業(yè)面掘進(jìn)頭順層方向視電阻率斷面

（1）該條測(cè)線的左幫100～150 m，角度在左幫35°～55°之間，存在低阻異常區(qū)域（已用紅色線圈出）；

（2）該條測(cè)線的正前、右?guī)?10～150 m，角度在右?guī)?90°～180°之間，存在低阻異常區(qū)域（已用紅色線圈出）。

4.3 作業(yè)面30°斜向下（底板）視電阻率斷面扇形圖釋義

圖5為作業(yè)面掘進(jìn)頭30°斜向下（底板）視電阻率探測(cè)扇形剖面圖，解譯如下：該條測(cè)線的正前、右?guī)?20～150 m，角度在右?guī)?0°～160°之間，存在低阻異常區(qū)域（已用紅色線圈出）。

圖5 作業(yè)面掘進(jìn)頭30°斜向下視電阻率斷面

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）根據(jù)作業(yè)面視電阻率斷面圖，結(jié)合物探綜合探測(cè)方向，可知該巷道斜向上30°方向存在多處低阻異常區(qū)域，可能存在多處裂隙發(fā)育帶導(dǎo)水情況。該巷道順層方向左幫、正前方及右?guī)痛嬖谙鄬?duì)低阻區(qū)域，反應(yīng)強(qiáng)烈，低阻區(qū)域明顯，由于作業(yè)面處于含水層，所以順層方向正前方及右?guī)蜑樽鳂I(yè)面掘進(jìn)重點(diǎn)關(guān)注防范部位。斜向下30°方向探測(cè)結(jié)果顯示右側(cè)存在明顯異常。

（2）結(jié)合地質(zhì)資料分析，對(duì)低阻異常區(qū)域設(shè)計(jì)鉆孔、打鉆驗(yàn)證，必要時(shí)進(jìn)行疏放水，確認(rèn)安全后方可掘進(jìn)。

（3）本次礦用瞬變電磁法物探按照“物探先行、鉆探驗(yàn)證”程序開(kāi)展工作，堅(jiān)持“有疑必探，先探后掘”的探放水原則，提高了防治水安全保障的水平。根據(jù)施工情況表明，物探及鉆探結(jié)果與井下實(shí)際情況吻合，“兩探”都得到了互相驗(yàn)證，瞬變電磁法在礦井井下探水應(yīng)用效果良好，可以作為大范圍探水的首選方法，為礦井井下水害預(yù)報(bào)和防治提供便捷經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)指導(dǎo)。

5.2 建議

（1）異常區(qū)的劃分是相對(duì)的，而且劃分的主要依據(jù)是視電阻率值的高低，但引起電阻率變化的因素是多樣的，因此物探結(jié)論存在多解性，物探結(jié)果為鉆探提供了參考依據(jù)。

（2）金屬干擾問(wèn)題不可避免，在本次探測(cè)中，既有管道電纜影響又有錨桿錨索影響，干擾復(fù)雜、嚴(yán)重，使探測(cè)結(jié)果存在一定的偏差。所以，需要不斷優(yōu)化，采取措施減少干擾，如機(jī)械設(shè)備處于斷電停運(yùn)狀態(tài)，盡量減少人為電磁噪聲，盡量由專人操作設(shè)備。

（3）加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)工作面順層方向左幫、正前方及右?guī)偷乃橛^測(cè)及排水工作，安裝足夠排量的排水泵及排水管路，在掘進(jìn)頭低凹處挖掘泵坑，及時(shí)排除巷道積水。掘進(jìn)過(guò)程中若遇淋涌水，應(yīng)進(jìn)行截水，工人穿雨衣并加強(qiáng)頂板觀察。

（4）在雨季來(lái)臨之前，應(yīng)加大地表巡查力度，如有發(fā)現(xiàn)采動(dòng)裂縫或地表塌陷應(yīng)及時(shí)用土回填壓實(shí)，必要時(shí)注漿加固；對(duì)地面基巖露頭及火燒區(qū)周?chē)谥r洪水溝。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)河道流量監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)立即匯報(bào)、及時(shí)處理。遇強(qiáng)降雨天氣執(zhí)行《雨季三防應(yīng)急預(yù)案》緊急撤人[8]。