礦井瞬變電磁法在水平定向井注漿技術(shù)效果監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：【目的】查明趙莊礦1340工作面底板是否存在巖溶發(fā)育區(qū)，并研究礦井瞬變電磁法在水平定向井注漿技術(shù)效果監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果?！痉椒ā坎捎玫V井瞬變電磁法進(jìn)行工作面底板探測(cè)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)視電阻率低阻異常區(qū)。針對(duì)底板灰?guī)r賦水特性，在低阻異常區(qū)設(shè)計(jì)2個(gè)主孔，采用水平定向井注漿技術(shù)進(jìn)行注漿加固，當(dāng)主孔到達(dá)預(yù)定位置后再布置定向孔進(jìn)行注漿。注漿后為監(jiān)測(cè)注漿效果，采用礦井瞬變電磁法對(duì)低阻發(fā)育區(qū)進(jìn)行二次探測(cè)?！窘Y(jié)果】通過分析注漿后的數(shù)據(jù)結(jié)果，并與注漿前進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低阻發(fā)育區(qū)視電阻率增大，注漿效果明顯?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果表明，礦井瞬變電磁法可以發(fā)現(xiàn)視電阻率低阻異常區(qū)，并能有效監(jiān)測(cè)水平定向井注漿技術(shù)的效果。

關(guān)鍵詞：礦井瞬變電磁；水平定向井注漿；低阻異常區(qū)；巖溶賦水；二次探測(cè)

中圖分類號(hào)：TD745" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）13-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.010

Application of Transient Electromagnetic Method in Detecting the Effectiveness of Horizontal Directional Well Grouting Technology in Mines

WANG Dongwei

（Henan Second Geological Exploration Institute Limited Company， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to find out whether there is a karst development area in the floor of 1340 working face in Zhaozhuang Mine， and to study the application effect of mine transient electromagnetic method in the effect detection of grouting technology in horizontal directional wells. [Methods] The mine transient electromagnetic method was used to detect the floor of the working face， and two low resistivity anomaly areas of apparent resistivity were found. According to the water-bearing characteristics of floor limestone， two main holes are designed in the low-resistance abnormal area， and the horizontal directional well grouting technology is used for grouting reinforcement. When the main hole reaches the predetermined position， the directional hole is arranged for grouting. In order to detect the grouting effect after grouting， the mine transient electromagnetic method was used to carry out secondary observation in the low resistance development area. [Findings] By analyzing the data results after grouting and comparing with those before grouting， the apparent resistivity in the low-resistance development area increased， and the grouting effect was obvious.[Conclusions] The research results show that the mine transient electromagnetic method can find the low resistivity anomaly area of apparent resistivity， and can effectively detect the effect of horizontal directional well grouting technology.

Keywords： mine transient electromagnetic; horizontal directional well grouting; low resistance abnormal area; karst water accumulation; secondary observation

0 引言

煤礦在開采過程中，經(jīng)常會(huì)遭遇煤層底板巖溶突水。煤層底板巖溶賦水區(qū)隱伏性強(qiáng)、時(shí)空變化大，在煤層工作面綜采前，需要采用礦井瞬變電磁法探測(cè)工作面下方是否存在巖溶賦水區(qū)等導(dǎo)、含水構(gòu)造［1-2］，當(dāng)發(fā)現(xiàn)綜采工作面下方存在地質(zhì)異常體時(shí)，需要采用注漿技術(shù)進(jìn)行堵漏。

水平定向井技術(shù)依托一個(gè)豎直井，在到達(dá)目的層深度時(shí)，在豎直井四周按設(shè)計(jì)方向和距離進(jìn)行水平鉆進(jìn)。運(yùn)用水平定向井技術(shù)鉆孔能夠有效抵達(dá)煤層工作面底板下方導(dǎo)、含水構(gòu)造位置，抵達(dá)預(yù)定位置后，即刻進(jìn)行注漿堵漏［3-4］，然后用礦井瞬變電磁法再次探測(cè)地質(zhì)異常區(qū)，來監(jiān)測(cè)水平定向井注漿技術(shù)效果，以期達(dá)到治理地質(zhì)異常體的目的，從而保證煤層工作面安全高效開采。

1 方法介紹

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法基本原理同地面瞬變電磁法一樣，但受井下施工環(huán)境影響，該方法與地面TEM數(shù)據(jù)采集與處理方式又有不同。在井下施工時(shí)，發(fā)射線圈面積小，探測(cè)深度也較淺。該方法采用全空間瞬變響應(yīng)，具有以下特點(diǎn)：①采用邊長(zhǎng)2 m的多匝回線裝置，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高；②采用小回線觀測(cè)系統(tǒng)，體積效應(yīng)低、橫向分辨率高；③距離地下異常體更近，信號(hào)更強(qiáng)，該方法將線圈放置于巷道底板測(cè)量，探測(cè)煤層工作面底板一定深度內(nèi)含水性異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律，其視電阻率的晚期計(jì)算見式（1）。

[ρt=C×μ04πt×（2μ0SNsn5t（V/I））23=C×6.32×10-12×（S×N）23×（s×n）23×（V/I）-2/3×（t）-5/3] （1）

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；S為發(fā)射線圈面積；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；s為接收線圈面積；n為接收線圈匝數(shù)；t為二次場(chǎng)衰減時(shí)間；V/I為儀器接收到的歸一化二次場(chǎng)電位值。在得到單個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率值后，根據(jù)時(shí)間—深度轉(zhuǎn)換公式，可以計(jì)算出不同視電阻率值對(duì)應(yīng)的深度。

1.2 水平定向井注漿技術(shù)

水平定向井煤層底板注漿技術(shù)指在煤礦地面通過堅(jiān)硬巖層鉆孔并利用注漿設(shè)備進(jìn)行注漿施工，將水泥漿料灌注到煤層底板中，形成一層堅(jiān)固的防水屏障，從而有效地阻止地下水體的涌入和滲漏。水平定向井煤層底板注漿技術(shù)操作簡(jiǎn)單，施工便捷，注漿漿料成本低廉，施工過程無污染，不會(huì)對(duì)煤礦地面和周邊環(huán)境造成影響。該技術(shù)適用于各類煤礦、煤層底板滲水問題，尤其是對(duì)于那些地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水體豐富的煤礦，地面水平定向井煤層底板注漿技術(shù)能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

2 礦井瞬變電磁法探測(cè)水害

趙莊礦1340工作面位于5號(hào)煤層中，賦存相對(duì)比較穩(wěn)定，5號(hào)煤層底板存在奧陶系灰?guī)r。煤層工作面走向長(zhǎng)度250 m，傾向長(zhǎng)度108 m，煤層厚度為1.3～1.8 m，厚度變化系數(shù)較小，煤層局部含部分夾矸。5號(hào)煤層頂板有一層薄砂巖，厚度0.5 m，砂巖上面為灰?guī)r，厚0.7～2.2 m，平均厚度1.5 m。煤層底板距離奧灰?guī)r層頂面間距50 m左右。1340工作面底板奧灰水為最主要含水層，且在周圍礦區(qū)已經(jīng)部分揭露奧灰水突水地段，是該工作面的開采難題。

由于5號(hào)煤層標(biāo)高較低，煤層賦存深度大，在開采過程中，煤層底板受下部承受水壓力較大，在采煤過程中煤層底板破壞深度會(huì)加劇，下部巖體受采煤擾動(dòng)因素，底板原生裂隙會(huì)急劇擴(kuò)大，裂隙一旦和下部奧陶系灰?guī)r水連通，間接增加了奧灰水導(dǎo)升高度。特別是開采區(qū)內(nèi)已經(jīng)揭露部分小斷層，同時(shí)區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙相對(duì)比較發(fā)育，受奧灰水水壓的影響，在開采過程中，極易引發(fā)底板水沿構(gòu)造破碎帶或煤層底板裂隙帶突入礦井，從而引發(fā)礦井突水，給礦井安全生產(chǎn)帶來威脅。因此，采礦方?jīng)Q定使用礦井瞬變電磁法探測(cè)工作面底板下部地質(zhì)特征，使用儀器為武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YCS200礦用瞬變電磁儀，施工方法如圖1所示。

本次勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，采用邊長(zhǎng)2.0 m的發(fā)射線框，發(fā)射線圈匝數(shù)為24匝，接收線圈匝數(shù)為40匝。供電電流擋為2A，供電脈寬10 ms。每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用20次疊加方式提高信噪比，接收完原始數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入數(shù)據(jù)編輯軟件，首先查看一次場(chǎng)是否存在畸變點(diǎn)，確保所有一次場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后，進(jìn)行視電阻率換算，得到單個(gè)測(cè)點(diǎn)不同接收時(shí)間的視電阻率值，再根據(jù)視電阻率值和對(duì)應(yīng)的接收時(shí)間，換算出其對(duì)應(yīng)的深度，得到單個(gè)測(cè)點(diǎn)不同深度的視電阻率值。以此類推，計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)不同深度的視電阻率值。

趙莊礦1340工作面底板礦井瞬變電磁法視電阻率斷面等值線如圖2所示，圖中數(shù)值的單位為Ω·m，斷面圖右側(cè)為工作面底板視電阻率色階比例圖。在斷面圖中，橫坐標(biāo)為垂直工作面走向的一條測(cè)線［5-6］，測(cè)點(diǎn)間距15 m，將縱坐標(biāo)-770 m位置標(biāo)定為工作面底板下奧灰?guī)r層頂部。

由圖2可知，視電阻率等值線頂部相對(duì)比較穩(wěn)定，在橫向上沒有明顯的異常擾動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)明顯的視電阻率異常，在奧灰?guī)r層頂部以下40～100 m地段，視電阻率值等值線在橫向上變化明顯，局部存在低阻擾動(dòng)，局部低阻異常比較發(fā)育，視電阻率值形成1個(gè)低阻封閉圈A，其視電阻率值從160 Ω·m逐步減小，到異常中心位置達(dá)到最小，逐漸減小到60 Ω·m。依據(jù)地質(zhì)資料分析A異常區(qū)為奧灰?guī)r層裂隙相對(duì)發(fā)育區(qū)，由于受礦井瞬變電磁探測(cè)深度的限制，其含水性情況不明。一旦含水性較強(qiáng)且與上部的巖層裂隙導(dǎo)通，在綜采工作采掘到該地段時(shí)，灰?guī)r水將會(huì)順著巖層裂隙涌入工作面［7-8］，造成工作面底板突水，給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。

3 水平定向井注漿技術(shù)治理工作面底板

3.1 鉆孔布置與結(jié)構(gòu)

采礦方依據(jù)工作面底板視電阻率斷面以及奧灰含水層賦水性不均一的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了水平定向井注漿技術(shù)施工方案，以堵源為主、兼顧突水通道，設(shè)計(jì)兩個(gè)定向主孔，具體如圖3所示。主孔1位于測(cè)線45 m位置，主孔2位于測(cè)線200 m位置，待主孔達(dá)到預(yù)定目的層后，分別設(shè)計(jì)4個(gè)分支孔進(jìn)行水平鉆進(jìn)。

鉆孔主孔結(jié)構(gòu)分三級(jí)：①注1孔，0～36 m，孔徑φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，鉆孔進(jìn)入基巖內(nèi)5 m，目的是穿透第四系地層并將其隔離；注2孔，0～30 m，孔徑φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管；鉆孔進(jìn)入基巖內(nèi)5 m，目的是穿透第四系地層并將其隔離開。②注1孔：36～835.4 m，孔徑φ216 mm，下入φ178 mm×8.05 mm通天套管834.2 m（下至大煤底板以下5 m）；注2孔，30～834.6 m，孔徑φ216 mm，下入φ178 mm×8.05 mm通天套管832.2 m（下至大煤底板以下5 m）。③注1孔，835.4～1 075.6 m，孔徑φ155 mm，為裸孔（鉆至奧灰頂面以下100 m處）；注2孔，834.6～1071.6 m，孔徑φ155 mm，為裸孔（鉆至奧灰頂面以下100 m處）。分支鉆孔結(jié)構(gòu)為注1孔各分支孔孔深240.6 m，注2孔各分支孔孔深238.3 m，孔徑φ127 mm，裸孔。

3.2 鉆孔施工技術(shù)要求

設(shè)計(jì)直孔鉆孔，施工前對(duì)鉆孔進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)井下位置計(jì)算對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)。在施工過程中，及時(shí)監(jiān)測(cè)孔斜，防止鉆孔超偏，下套管前測(cè)量孔斜。在地面開孔，一級(jí)套管隔離開沖積層，套管下入基巖內(nèi)不少于5 m；二級(jí)套管下在大煤底板下5 m；裸孔進(jìn)入奧灰100 m，未見漏水情況時(shí)，繼續(xù)鉆進(jìn)，并及時(shí)進(jìn)行水文地質(zhì)觀測(cè)，遇到奧灰漏水層段時(shí)，詳細(xì)記錄漏水的深度、厚度、漏失量、水位等數(shù)據(jù)，分析觀測(cè)的水文資料，詳細(xì)研究連通試驗(yàn)結(jié)果，決定注漿的配比和參數(shù)［9-10］，從而確定注漿的類型。

3.3 注漿設(shè)計(jì)

掃孔采用千米機(jī)作為注漿掃孔專用鉆機(jī)，每輪注漿停8 h后再掃孔。在注漿期間，連續(xù)觀測(cè)奧灰孔水位動(dòng)態(tài)變化情況，同時(shí)詳細(xì)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)變化情況后，依據(jù)結(jié)果調(diào)整注漿工藝。采用連續(xù)兩次攪拌法制漿工藝，漿液濃度視巖溶裂隙發(fā)育程度而定，水灰比分別為1∶1、1∶0.8、0.5∶1、1∶0.5，按要求先稀后濃。等注漿結(jié)束后，注漿孔、串漿孔均進(jìn)行掃孔，確保不出現(xiàn)孔堵現(xiàn)象。

在測(cè)線45 m處下入水平井儀器，在-840 m處進(jìn)行側(cè)鉆開始該井的第一個(gè)分支鉆進(jìn)，遇漿液大量漏失（遇導(dǎo)水裂隙等構(gòu)造），立即開始注水泥漿液，證明該處裂隙發(fā)育且賦水性強(qiáng)［11-12］，即刻在此地段進(jìn)行封堵。水平定向井于井斜85.7°、方位193.7°、位移437.32 m處鉆遇灰?guī)r，又出現(xiàn)奧灰漿液漏失現(xiàn)象，漏失量較A異常區(qū)稍弱，證明該處存有斷層或裂隙發(fā)育，同樣起鉆進(jìn)行封堵。主孔1的其他分支孔在灰?guī)r層中未遇到漿液漏失現(xiàn)象，即未遇到導(dǎo)水裂隙帶。主孔2的2-2#分支孔在奧灰中成功鉆至井斜41.6°、方位238.3°，位移65.8 m處，出現(xiàn)漿液輕微漏失，采礦方通過壓水試驗(yàn)，確定了吸水量的大小，配置了相應(yīng)濃度的漿液進(jìn)行了封堵。其他3個(gè)分支孔在灰?guī)r層中未遇到漿液漏失現(xiàn)象［13-14］，即未遇到導(dǎo)水裂隙帶。

4 水平定向井注漿技術(shù)效果監(jiān)測(cè)

在注漿過程中，定向鉆孔對(duì)煤層工作面底板下部灰?guī)r產(chǎn)生了擾動(dòng)，灰?guī)r內(nèi)部遭受擾動(dòng)后，可能產(chǎn)生次生裂隙。次生裂隙在上覆煤層開采過程中，可能演變成新的導(dǎo)水通道。因此在注漿后，需要監(jiān)測(cè)水平定向井對(duì)灰?guī)r賦水區(qū)的注漿效果，采用礦井瞬變電磁法再次觀測(cè)1340工作面底板，觀測(cè)角度和儀器設(shè)置參數(shù)和注漿前保持一致。

趙莊礦1340工作面水平定向井注漿技術(shù)效果如圖4所示。由圖4可知，視電阻率等值線在頂部變化很小，說明淺部受水平定向井?dāng)_動(dòng)較小，在奧灰?guī)r層頂部以下40～100 m地段，即水平定向施工注漿地段，其視電阻率等值線發(fā)生了一定變化［15］，局部低阻異常擾動(dòng)不再出現(xiàn)。對(duì)比圖2可以看出，低阻封閉圈A視電阻率值在注漿之前，最低值為60 Ω·m，經(jīng)過水平定向井注漿后，低阻封閉圈A的視電阻率值已經(jīng)升至180 Ω·m，與周圍的奧灰?guī)r層的視電阻率值接近，低阻封閉圈消失，且未見次生裂隙產(chǎn)生，1-1#、2-2#分支孔注漿封堵效果明顯，水平定向井注漿技術(shù)為1340工作面安全開采提供了保障，同時(shí)鞏固了防治水治理效果。

5 結(jié)論

通過礦井瞬變電磁法可以判定綜采工作面下方的地質(zhì)體發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)綜采工作面下方存在巖溶發(fā)育區(qū)等地質(zhì)異常體時(shí)，可以采用水平定向井注漿技術(shù)封堵異常區(qū)。水平定向井注漿堵漏施工技術(shù)減少了人員、設(shè)備、施工占地等費(fèi)用的投入，使注漿堵漏施工技術(shù)效率得到了有效提升。注漿加固后采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行二次探測(cè)，通過與注漿前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以有效監(jiān)測(cè)水平定向井注漿技術(shù)的注漿效果，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。

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