孔中瞬變電磁法在綜放工作面底板破壞深度探測(cè)中的應(yīng)用研究

王 程，安又新，朱宏軍，郭建磊

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)正由淺部走向深部，深部煤礦受巖溶水的威脅尤為突出，特別是對(duì)開(kāi)采石炭-二疊系煤層的華北型煤田[1]。華北區(qū)域含煤地層受巨厚奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層威脅，由于采動(dòng)效應(yīng)的影響致使原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破[2]，形成采動(dòng)破壞帶，一旦其破壞深度大于有效隔水層厚度，將會(huì)形成導(dǎo)水通道導(dǎo)致采煤工作面發(fā)生底板水害。所以應(yīng)重視底板破壞深度的探測(cè)，避免底板隔水層變薄區(qū)或隱伏構(gòu)造區(qū)采動(dòng)引起底板突水等災(zāi)害。

對(duì)于正常煤層底板巖層可通過(guò)相似模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法計(jì)算底板破壞深度，如突水系數(shù)公式[3-4]、“下三帶”及“四帶”理論[5]、原位張裂和零位破壞理論[6]、采深、采寬和采高3 因素影響的新預(yù)測(cè)模型[7]、物理模擬模型[8-9]等方法近似得出底板破壞深度，但由于煤層底板巖層性質(zhì)多變，加之構(gòu)造及原生裂隙等影響，上述方法還無(wú)法滿足實(shí)際防治水工作的需要。在實(shí)際工作中，采用原位測(cè)試的方法對(duì)煤礦回采工作面底板破壞深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，主要的方法為鉆孔注(壓)水法和地球物理方法，其中地球物理方法具有快速無(wú)損、施工效率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近些年被廣泛地應(yīng)用回采工作面底板破壞深度測(cè)試和研究中[10-11]。

針對(duì)回采工作面底板破壞深度測(cè)試所采用的地球物理方法主要有：高密度電法和雙巷并行電法，董春勇等[12]采用高密度電法對(duì)煤層底板破壞深度進(jìn)行了定期的探測(cè)；吳榮新等[13]采用雙巷并行電法成功探測(cè)工作面底板富水性特征及薄煤區(qū)范圍，但由于開(kāi)采區(qū)工作條件的限制，僅在巷道中布設(shè)采集點(diǎn)只能用于探測(cè)工作面前方受超前支撐應(yīng)力的壓縮區(qū)，以及工作面回采前期頂?shù)装遒x水性探查，對(duì)于工作面回采后采空區(qū)底板的破壞深度難以有效探測(cè)；劉樹(shù)才[11]、高召寧[14]等采用孔巷電阻率CT 的方法對(duì)回采工作面底板破壞深度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；楊峰等[15]采用地質(zhì)雷達(dá)提出對(duì)數(shù)功率剖面技術(shù)分析煤礦隱伏病害，并取得良好效果，但由于電磁波趨膚效應(yīng)的影響，探測(cè)深度有限；張平松等[16]利用地震層析成像技術(shù)，通過(guò)觀測(cè)彈性波在巖層中的傳播時(shí)間，進(jìn)行反演成像得到巖層不同速度分布圖來(lái)判斷破壞帶的發(fā)育深度。近幾年張平松等[17]基于分布式光纖傳感技術(shù)及跨孔電阻率CT 原位綜合測(cè)試技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)格爾煤田某礦6 煤開(kāi)采期間的底板巖層變形與破壞過(guò)程及其特征進(jìn)行研究，但這兩種方法均對(duì)檢波器或傳感器與鉆孔壁的耦合要求較高，且要求鉆孔封孔材料近似恢復(fù)原巖物理性質(zhì)，工藝有待進(jìn)一步的研究。

煤礦回采工作面采空后，頂板導(dǎo)水裂隙帶波及頂板含水層時(shí)，上覆含水層水流入采空區(qū)，并順底板破壞裂隙滲入底板破壞帶，會(huì)導(dǎo)致底板破壞帶巖層的電阻率降低，為礦井電法探測(cè)底板破壞深度提供了地球物理前提條件。

礦井瞬變電磁法相比直流電法方法具有對(duì)低阻體敏感、效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于采掘工作面頂?shù)讕r層含水構(gòu)造的探測(cè)。但由于煤礦巷道中的鐵錨桿與錨網(wǎng)、采掘機(jī)械等設(shè)備對(duì)電磁波傳播影響較大，導(dǎo)致瞬變電磁法解釋精度降低，制約了瞬變電磁法的應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)題，近幾年發(fā)展起來(lái)的孔中瞬變電磁法[18-20]將瞬變電磁法收發(fā)裝置置于鉆孔中，避開(kāi)了巷道內(nèi)干擾源，提高了數(shù)據(jù)信噪比，促進(jìn)了瞬變電磁法被廣泛應(yīng)用于煤礦防治水及其他領(lǐng)域。

本文以準(zhǔn)格爾煤田酸刺溝煤礦6119 回采工作面為研究背景，采用孔中瞬變電磁探測(cè)技術(shù)及裝置，在鉆孔內(nèi)探測(cè)回采工作面采空區(qū)底板電性破壞層，從而推斷采后底板破壞深度，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和鉆孔注水分段壓水測(cè)試，驗(yàn)證本次孔中瞬變電磁法的推斷，對(duì)該區(qū)域內(nèi)巨厚煤層綜放工作面底板破壞深度測(cè)試具有一定的借鑒意義。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1 方法原理

孔中瞬變電磁法與瞬變電磁法原理基本一致，利用回線圈向鉆孔周圍發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的鉆孔附近渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)三分量信號(hào)，通過(guò)垂直分量數(shù)據(jù)反演成像獲取鉆孔附近的低阻異常體，然后再利用水平分量對(duì)異常體中心進(jìn)行定位。相比在巷道內(nèi)收發(fā)的瞬變電磁法，孔中瞬變電磁法收發(fā)裝置均位于鉆孔內(nèi)，遠(yuǎn)離了巷道內(nèi)各種干擾；探測(cè)目標(biāo)為鉆孔徑向20 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)異常體，異常信息行程近，損耗小，異常場(chǎng)擴(kuò)散小，分辨率高。

孔中瞬變電磁法施工工藝為采用鉆機(jī)將收發(fā)探頭一次性推送至孔中[21]，以等間距點(diǎn)距逐一完成全孔段數(shù)據(jù)采集工作，探測(cè)鉆孔徑向20 m 范圍的異常體位置?？字兴沧冸姶欧ㄔO(shè)備和探測(cè)原理如圖1 所示。

圖1 孔中瞬變電磁探測(cè)原理[22]Fig.1 Schematic diagram of borehole TEM detection[22]

1.2 數(shù)據(jù)處理

采集到孔中瞬變電磁法的數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多匝回線電感影響消除及曲線偏移的預(yù)處理[23]，然后對(duì)磁場(chǎng)的垂直分量計(jì)算得到晚期視電阻率。

1)電感校正

由于極小和多匝數(shù)的發(fā)射線圈，使一次場(chǎng)的關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致孔中接收的二次感應(yīng)場(chǎng)早期信號(hào)畸變，因此，需要進(jìn)行早期信號(hào)的校正。

式中：ET為校正后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；E為采集到原始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；為n匝回線圈的電感系數(shù)；I為發(fā)射電流，A；t為觀測(cè)時(shí)間，s。

電感系數(shù)為：

式中：n為回線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，取4π×10-7N/A2；b為方形回線邊長(zhǎng)，m；a為導(dǎo)線半徑，m。校正后的早期感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線的斜率與晚期方可達(dá)到一致。

2)曲線偏移

孔中多匝極小線圈電容電感和接收的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大，使暫態(tài)時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線整體抬升，因此，需對(duì)電感校正之后的曲線進(jìn)行整體的曲線偏移處理，步驟如下：首先計(jì)算理論的初始感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0，設(shè)置一個(gè)很小的差αEnd=Ef-E0作為迭代的終止條件，迭代公式為：

式中：Ef為曲線偏移后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；Fk迭代初始值為即式(3)中分母為t5/2；k為迭代次數(shù)；?t為迭代步長(zhǎng)，初始值設(shè)置為0.1。迭代終止后偏移得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線則與地面瞬變電磁法常規(guī)曲線基本一致。

3)晚期視電阻率

孔中的瞬變電磁感應(yīng)場(chǎng)與地面不同，其為全空間響應(yīng)，因此，孔中測(cè)量的垂直磁場(chǎng)晚期視電阻率計(jì)算公式如下：

式中：ρτ為晚期視電阻率；C為全空間系數(shù)；S和N分別為發(fā)射線圈的面積和匝數(shù)；s和nr分別為接收線圈的面積和匝數(shù)；U為接收電壓。

根據(jù)磁場(chǎng)垂直分量得到鉆孔附近低阻異常體，當(dāng)需要對(duì)異常體定相對(duì)鉆孔空間位置時(shí)，可采用垂直正交于鉆孔的 2 組水平分量(X、Y分量)的幅值變化，判斷異常中心方位角進(jìn)行定位[22,24]。

1.3 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證鉆孔瞬變電磁法探查底板破壞層的效果，設(shè)計(jì)如圖2 所示的2 種模型，采用時(shí)域有限差分進(jìn)行數(shù)值模擬，在巷道布設(shè)2 個(gè)孔深100 m 的鉆孔，前20 m為套管段，不測(cè)量數(shù)據(jù)。模型1 為原始未破壞的完整砂巖層模型，模型2 為淺層砂巖經(jīng)采動(dòng)破壞電阻率降低，深層為砂巖的二層模型。將模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述的流程處理計(jì)算得到圖2 的孔中瞬變電磁探查底板破壞層模擬剖面圖。由圖2 可知，模型1 的孔中瞬變電磁法探查結(jié)果視電阻率值趨于均一，模型2 的孔中瞬變電磁法剖面圖中，在破壞層內(nèi)外的視電阻率呈明顯差異，位于破壞層內(nèi)出現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，這一低阻異常的厚度、位置均與模型設(shè)置吻合較好，探測(cè)精度較高。

圖2 孔中瞬變電磁探查底板破壞層模擬剖面Fig.2 Section of transient exploration of floor failure layer in simulated hole

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

酸刺溝煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田東部，鄂爾多斯向斜的東北緣，天橋泉域西部的徑流排泄區(qū)，目前主要綜放開(kāi)采石炭-二疊系太原組的6 號(hào)煤層，6 號(hào)煤層頂板充水水源有山西組砂巖含水層和上、下石盒子組砂巖含水層，其中上石盒子組砂巖含水層富水性極差，下石盒子組砂巖和山西組砂巖含水層富水性弱-中等，局部較強(qiáng)。根據(jù)臨近工作面采后觀測(cè)結(jié)果顯示，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育基本均導(dǎo)至地表。該礦6119 工作面回采期間，頂板含水層水順頂板裂隙帶流入采空區(qū)，采空區(qū)水量基本穩(wěn)定在20 m3/h，部分水通過(guò)底板破壞裂隙滲入底板破壞的巖層裂隙中，導(dǎo)致底板破壞層位的電阻率值降低。

2.2 工程布置

采用孔中瞬變電磁法測(cè)試6119 工作面回采后底板破壞深度，6119 工作面已回采，西側(cè)6121 工作面巷道形成未回采。在6121 工作面輔運(yùn)巷3 號(hào)聯(lián)巷位置，布置CS5 鉆孔斜向下穿過(guò)6119 和6121 工作面之間煤柱進(jìn)入6119 工作面底板破壞區(qū)域，水平投影距離60 m 左右，布置DB2 鉆孔斜向下進(jìn)入6121 工作面底板，此孔為未破壞區(qū)域?qū)Ρ瓤祝瑑煽状股罹鶠?0 m。

孔中瞬變電磁法施工區(qū)段為：CS5 鉆孔出套管后，距孔口位置10 m 處開(kāi)始施工，探測(cè)點(diǎn)間距2 m，共探測(cè)范圍10～80 m；DB2 鉆孔出套管后，距孔口位置8 m處開(kāi)始施工，探測(cè)點(diǎn)間距2 m，共探測(cè)范圍8～62 m。

另外施工2 個(gè)不同傾角的鉆孔CS4 和CS6，與CS5 和DB2 采用鉆孔注水試驗(yàn)法驗(yàn)證孔中瞬變電磁法探測(cè)成果，鉆孔施工布置如圖3 所示。

圖3 鉆孔施工布置Fig.3 Drilling construction layout

2.3 成果分析

孔中瞬變電磁法成果如圖4 所示，DB2 孔徑向20 m范圍內(nèi)所測(cè)得的視電阻率值為90～130 Ω·m,說(shuō)明巖層綜合視電阻率值較為均一，裂隙欠發(fā)育，推測(cè)巖層完整。CS5 孔徑向20 m 范圍內(nèi)視電阻率值為30～150Ω·m，巖層綜合視電阻率值不均一，較為明顯地分為兩層，孔深12～52 m 視電阻率值較低，為30～70Ω·m，孔深52～80 m 視電阻率值增高，為80～150 Ω·m。

圖4 孔中瞬變電磁法剖面成果Fig.4 Borehole TEM profile

6119 工作面回采過(guò)后的區(qū)域都屬于重新壓實(shí)區(qū)[12]，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，頂板含水層水順著裂隙流入采空區(qū)，滲入底板破壞層中，導(dǎo)致巖層電阻率降低，低于正常巖層。通過(guò)對(duì)比DB2 和CS5 孔中瞬變電磁法成果，推測(cè)CS5 孔深52 m 以淺為6119 工作面回采后底板巖層破壞層位，CS5 孔深52 m 對(duì)應(yīng)的垂深為52 m×sin33°=28.3 m，因此，推測(cè)6119 工作面回采后，底板破壞層垂深為28.3 m 左右。

2.4 驗(yàn)證對(duì)比

為驗(yàn)證鉆孔瞬變電磁法探測(cè)回采工作面底板破壞深度的精度，首先基于不同巖石破壞準(zhǔn)則計(jì)算得到的酸刺溝煤礦6119 工作面煤層開(kāi)采底板破壞深度為25.27～29.70 m，其中：平面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為28.19 m；平面應(yīng)變結(jié)算結(jié)果為25.27 m；彈性理論-M-C 破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果為28.50 m；彈性理論-Griffith 破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果為25.40 m；塑性理論計(jì)算結(jié)果為29.70 m。

然后在CS4、CS5、CS6 和DB2 鉆孔采用注水-雙栓塞分段壓水試驗(yàn)測(cè)試底板破壞深度。注水-雙栓塞分段壓水試驗(yàn)測(cè)試是封閉鉆孔測(cè)試段兩端，對(duì)測(cè)試段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測(cè)定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動(dòng)情況，確定煤層底板的破壞深度。

由圖5 可知，鉆孔各測(cè)試段均隨著壓水試驗(yàn)壓力的增大而壓水量相應(yīng)增加，說(shuō)明在壓水試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生原有裂隙堵塞等現(xiàn)象，壓水試驗(yàn)前洗孔效果較好。而隨著壓力的增大，壓水量沒(méi)有出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象，說(shuō)明在試驗(yàn)壓力作用下，未發(fā)生原有裂隙加寬或隱裂隙劈裂等現(xiàn)象使巖體滲透系數(shù)顯著增大。通過(guò)對(duì)比分析4 個(gè)鉆孔的曲線，DB2 鉆孔全孔段未見(jiàn)明顯的壓水量增大分界線，CS4 鉆孔在垂深24 m 之前相對(duì)壓水量明顯較大，CS5 鉆孔在垂深31 m 之前相對(duì)壓水量明顯較大，CS6 鉆孔在垂深25 m 之前相對(duì)壓水量明顯較大，因此，推斷工作面底板破壞深度為24～31 m。

圖5 不同壓力下各鉆孔壓水量變化曲線Fig.5 Water pressure curves of each borehole under different pressures

綜上所述，理論公式計(jì)算底板破壞深度在25.27～29.70 m，鉆孔注(壓)水法實(shí)測(cè)底板破壞深度在24～31 m，孔中瞬變電磁法探測(cè)工作面回采后底板破壞深度為28.3 m 左右，經(jīng)理論和鉆孔注水法驗(yàn)證了采用孔中瞬變電磁法探測(cè)底板破壞深度的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

a.當(dāng)回采工作面頂板存在含水層時(shí)，頂板水順導(dǎo)水裂隙帶滲入采空區(qū)底板破壞層，導(dǎo)致破壞層和完整層的電阻率發(fā)生明顯差異性，為采用電法探測(cè)回采工作面底板破壞深度提供了前提條件。

b.本文采用瞬變電磁法與鉆孔相結(jié)合的孔中瞬變電磁法，首次將其應(yīng)用于探測(cè)回采工作面底板破壞深度，通過(guò)理論公式和鉆孔注水法驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確率，為探測(cè)回采工作面底板破壞深度的提供了一種新的準(zhǔn)確測(cè)試方法。

c.回采工作面底板破壞深度隨工作面傾向長(zhǎng)度不同而變化，下一步將在不同平距的鉆孔中試驗(yàn)，并結(jié)合孔中直流電法進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，進(jìn)一步提高探測(cè)精度。