三維瞬變電磁法在采煤工作面底板注漿加固效果評價(jià)中的應(yīng)用研究

韓云春，趙宏達(dá)，余國峰，黃 剛，羅 勇

（1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽淮南；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥；3.深部煤炭安全開采與環(huán)境保護(hù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南；4.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽淮南）

當(dāng)前，礦井開采深度不斷加深，導(dǎo)致涌水災(zāi)害威脅不斷增加。為確保工作面的安全回采和提高煤層開采上限，精準(zhǔn)探測底板異常區(qū)成為一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。其中，核心挑戰(zhàn)是加強(qiáng)對工作面覆巖底板破壞規(guī)律的研究，并準(zhǔn)確判斷導(dǎo)水裂隙帶的位置。近來，利用先進(jìn)的瞬變電磁法獲取煤巖底板賦水性變化信息已經(jīng)取得令人矚目的成果。相較于其他方法，瞬變電磁法在偵測含水結(jié)構(gòu)、富水區(qū)等低電阻異常區(qū)域方面具有明顯優(yōu)勢，有效地支持工作面的水文勘測和巷道預(yù)探。因此瞬變電磁法在煤層開采中的應(yīng)用能夠提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)煤礦實(shí)施安全生產(chǎn)和有效的防治水工作[1]。

瞬變電磁法作為一種以巖石導(dǎo)電性差異不同進(jìn)行探測的地球物理電磁感應(yīng)方法，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測反應(yīng)較為準(zhǔn)確，在礦井探測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。周官群等[2]分析了金屬干擾對TEM數(shù)據(jù)的影響，通過在有和沒有金屬干擾的情況下都進(jìn)行了水槽模型實(shí)驗(yàn)，表明這種干擾會顯著影響TEM測量并導(dǎo)致錯(cuò)誤異常。實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步證明，該方法可以有效減少隧道內(nèi)支架和其他金屬工具引入的低電阻率干擾；于景邨等[3]研究出應(yīng)用于井下探測巷道周圍空間不同位置、不同形態(tài)突水構(gòu)造瞬變電磁探測裝置、探查技術(shù)及資料處理和解釋方法。采用礦井瞬變電磁法在多個(gè)礦井探測深部采場突水構(gòu)造進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，通過井下注漿或疏放降壓鉆孔驗(yàn)證, 證明瞬變電磁法探查深部采場突水構(gòu)造位置是非常有效的；岳建華等[4]認(rèn)為張量電阻率測量是掌握和認(rèn)識電各向異性特征的重要方法途徑, 煤礦井下具有開展張量電阻率測量的獨(dú)特優(yōu)勢。李志旋[5]等采用矢量有限元法實(shí)現(xiàn)了三維電磁擴(kuò)散場數(shù)值模擬,并成功將其應(yīng)用在大地電磁的正演研究中；程久龍[6]等研究表明感應(yīng)電動勢、采樣時(shí)間、視電阻率、探測距離和對數(shù)坐標(biāo)下的感應(yīng)電動勢衰減速率可作為巖層富水性預(yù)測所用特征，LBA-BP 方法結(jié)合相應(yīng)特征可以實(shí)現(xiàn)巖層富水性定量預(yù)測，提高了礦井瞬變電磁法對巖層富水性的解釋精度；胡雄武等[7]提出視電阻率全方位探測方法，表明在全方位視電阻率反演過程中，單巷測深數(shù)據(jù)與雙巷透視數(shù)據(jù)之間能夠相互約束,促使低電阻率球狀模型的準(zhǔn)確歸位，體現(xiàn)了全方位視電阻率探測方法的優(yōu)越性。

本次根據(jù)礦方需求和現(xiàn)有工作面條件，將進(jìn)行針對底板的瞬變電磁探測，主要為了驗(yàn)證注漿鉆孔的效果。以某煤礦7401 工作面為研究區(qū)域，通過瞬變電磁法對水文地質(zhì)情況的探測，綜合以往的數(shù)據(jù)分析賦水體狀況，判斷注漿前后低阻區(qū)異常情況。

1 方法簡介

1.1 方法原理

三維瞬變電磁法是地球物理勘探技術(shù)的一種，通過施加瞬時(shí)電磁場，測量地下介質(zhì)中的電阻率變化，從而獲得關(guān)于地下結(jié)構(gòu)和礦產(chǎn)的信息。該方法基于Maxwell 方程，通過求解泊松方程和拉普拉斯方程，得到地下介質(zhì)的電導(dǎo)率分布。其基本原理與瞬變電磁法原理類似，在地面布置一組發(fā)射線圈，通過向地下發(fā)射脈沖電磁場，使得地下介質(zhì)中的自由電荷發(fā)生運(yùn)動，產(chǎn)生渦流（見圖1）。這些渦流在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)它們到達(dá)接收線圈時(shí)，被接收線圈測量到，從而可以反演出地下介質(zhì)的電導(dǎo)率分布情況(見圖2)。

圖1 半空間中的等效感應(yīng)電流圖

圖2 瞬變電磁法原理圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

在三維瞬變電磁數(shù)據(jù)處理中，選取MTEM（Multi-transient Electromagnetic）系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)處理在從測量數(shù)據(jù)中提取有意義的信息和解釋地下地質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用。它涉及數(shù)據(jù)校正、反演、二次處理和解釋，從而全面了解地下結(jié)構(gòu)和儲量。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 工作面地質(zhì)概況

選取的某煤礦7401 工作面位于采煤區(qū)的東南方向，煤層從東部延伸至西11 采區(qū)三條上山。工作面地勢平均在105 m 左右，井下深度在627.9～495 m，地面上無房屋、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，但存在農(nóng)田等耕作地，采煤時(shí)可能對上部地面造成塌陷、陷落等地質(zhì)災(zāi)害。此次工作面回采煤為二1 煤層，其煤層厚度約為5.8 m；煤層傾角平均為27°左右；采煤工作面上順槽長度為794 m（平距），其工作面下順槽長度為781 m（平距）；采煤區(qū)可采煤116 760 m2，地質(zhì)儲量108 萬噸。

2.2 現(xiàn)場工程布置

現(xiàn)場探測工作主要是對工作面底板注漿加固前后進(jìn)行瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集，并且兩次布置探測點(diǎn)位置相同。瞬變電磁現(xiàn)場分別在上順槽和下順槽依次布置探測點(diǎn)，上順槽從E4 測點(diǎn)開始探測，于上順槽與切眼交口處結(jié)束；下順槽探測起點(diǎn)位于下順槽與切眼交口處，探測終點(diǎn)位于C 測點(diǎn)（L 測點(diǎn)向切眼方向45.8 m）處。上順槽和下順槽測線均為10 m 左右一個(gè)探測點(diǎn)。上順槽和下順槽測點(diǎn)探測9 個(gè)方向，上順槽和下順槽的探測方向分別為內(nèi)幫底板15°、內(nèi)幫底板30°、內(nèi)幫底板45°、內(nèi)幫底板60°、內(nèi)幫底板75°、底板90°、外幫底板75°、外幫底板60°、外幫底板45°（見圖3 所示）。

圖3 上順槽和下順槽探測方向示意圖

2.3 注漿前后探測結(jié)果

根據(jù)瞬變電磁探測結(jié)果，進(jìn)行鉆孔注漿前存在4個(gè)相對低阻異常區(qū)，為SY1～SY4 異常區(qū)。如圖4 所示，SY1：靠近下順槽，延伸深度為底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰?guī)r層位，局部富含巖溶裂隙水；SY2：靠近下順槽，向面內(nèi)延伸約58 m。延伸深度為底板向下30～40 m，位于底板石炭系太原群灰?guī)r層位，為局部富含巖溶裂隙水；SY3：靠近下順槽，延伸深度為底板向下20 m 附近，位于底板石炭系太原群灰?guī)r層位，局部富水區(qū)；SY4：靠近下平巷，位于L10 點(diǎn)附近，延伸深度為底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰?guī)r層位，局部富含巖溶裂隙水。

圖4 注漿前底板三維瞬變電磁立體圖

經(jīng)過鉆孔注漿后，對比分析以往瞬變電磁探測結(jié)果，存在2 個(gè)相對低阻異常區(qū)，定義為SY1、SY2 異常區(qū)。如圖5 所示，SY1：靠近工作面下順槽，L9 測點(diǎn)附近，煤層底板下方20～40 m 層位附近。位于底板石炭系太原群上段灰?guī)r層位，局部富含巖溶裂隙水；SY2：靠近工作面下順槽，L10 測點(diǎn)之間，工作面外煤層底板下方20～40 m 層位。主要位于底板石炭系太原群上段灰?guī)r層位，局部富含巖溶裂隙水。

圖5 注漿后底板三維瞬變電磁立體圖

2.4 對比驗(yàn)證分析

結(jié)合前期的地質(zhì)水文特征，對比驗(yàn)證鉆孔注漿前后的工作面底板異常區(qū)情況，利用MTEM對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到鉆孔注漿前后三維瞬變電磁立體圖。注漿前進(jìn)行的工作面瞬變電磁底板異常區(qū)探測，共出現(xiàn)四個(gè)低阻異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)水文資料進(jìn)行分析，底板向下延伸20～60 m 附近，局部富含巖溶裂隙水；鉆孔注漿后對工作面瞬變電磁底板異常區(qū)探測得出，底板加固后0～70 m 深度范圍內(nèi)整體視電阻率值較高，只存在2 個(gè)相對低阻異常區(qū)，位于底板石炭系太原群上段灰?guī)r層位，分析為局部富含少量巖溶裂隙水。

綜合鉆探驗(yàn)證前后的底板瞬變電磁探查，發(fā)現(xiàn)工作面鉆孔注漿前，底板出現(xiàn)四個(gè)低阻異常區(qū)且位于底板向下20～60 m 附近，通過繪制出的三維瞬變電磁立體圖，判斷低阻區(qū)比較明顯，可能發(fā)生突水危險(xiǎn)，需要進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。經(jīng)過工作面鉆孔注漿后，綜合地質(zhì)情況，底板只出現(xiàn)兩個(gè)低阻異常區(qū)，分布于底板向下20～40 m 附近，通過三維瞬變電磁立體圖，分析可得低阻區(qū)域發(fā)育不明顯，突水危險(xiǎn)性較低，不影響回采。

3 結(jié)論

（1） 此次利用兩次三維瞬變電磁探測，首先對7401 工作面進(jìn)行初探，在底板改造前圈定富水異常區(qū)范圍，為鉆探施工提供標(biāo)靶，完成注漿改造后，再利用三維瞬變電磁驗(yàn)證注漿改造效果，保障工作面安全回采。（2） 本文采用對比驗(yàn)證的方式，利用瞬變電磁探查低阻水性強(qiáng)的特性發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，通過鉆探驗(yàn)證異常后進(jìn)行鉆孔注漿加固，證明瞬變電磁法對于工作面底板富水區(qū)情況探測的可行性，為提前預(yù)防突水等災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。