立井井筒掘進地質條件綜合探查與分析

郭立全，張平松，李圣林，胡富彭

(1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001；2.礦山地質災害防治與環境保護安徽普通高校重點實驗室，安徽 淮南 232001)

煤礦立井是礦山生產的咽喉，其施工條件惡劣，施工難度大，掘進過程中會遇到較多復雜特殊地層或地質構造[1，2]，易引發井筒、巖壁涌水，從而導致突水、側幫垮塌等事故，給井筒的安全掘進造成嚴重威脅[3]，因此，需要準確地對井筒掘進前方含水構造進行超前探查預報[4-8]。利用地球物理方法對井筒掘進施工過程中含水構造的超前探查預報前人已做過一定的研究。其中，謝焰等在井筒掘進工程實例中進行了井筒電法探水試驗，由于測試方法得當，資料準確，減少了鉆探工程量，取得了明顯的經濟效益[4]。張五兵等以結合新集二礦井筒探水注漿工程，采用電法及超聲波綜合物探方法對井筒主要含水層進行了超前跟蹤探測，并對注漿質量進行了評價，為井筒施工提供了安全保證[9]。趙利軍等基于貴州新田礦井井筒在掘進過程中所遇到地下暗河的實際發育情況，采用反射共偏移探測方法，結合鉆探技術查明了暗河賦存情況，實現了井筒的安全快速優質施工[10]。向龍等在常規三維地震采集基礎上，采用小面元、多次覆蓋極大提高分辨率、加寬頻帶、加強高頻的技術，探測了黑拉嘎煤礦井筒掘進前方的地層性質及其地層含水性，并結合勘探報告水文地質資料，明確了礦井井筒開拓方案[11]。Patterson、Stephen Prensky等提出了遠探測縱波成像技術(DCWI)，該方法采用偶極源產生的低頻縱波提高探測深度，可對距離井筒30m遠的裂縫和結構特征實現成像處理，同時降低了衰減影響。DCWI與垂直地震剖面和井筒成像測井結合，可以實現對復雜井筒和地層結構的精細表征[12，13]。以上研究都對井筒掘進施工提供了可靠的技術保障，表明了地球物理方法對井筒掘進含水構造超前探查預報的可行性和有效性。另外，由于單一地球物理方法在數據處理與解釋的過程中存在認識多樣性與結果多解性的問題，所以，為提高地球物理探測地質解釋的準確性，需要進行多參數的綜合物探。

本文針對單一地球物理方法存在認識多樣性與結果多解性的問題，根據井筒掘進地質條件和地層巖石物理特性提出采用反射地震法和瞬變電磁法相綜合的多參數綜合物探方法對淮南潘一煤礦主井井筒掘進前方F32斷層的準確位置及富水情況進行超前探測，并輔以數值模擬和物理模型試驗對井筒掘進前方地質條件超前探查進行了系統研究，為礦井設計及井筒安全施工提供有效的技術保障。

1 工程概況

淮南潘一煤礦主立井井筒在掘進過程中將遇到F32斷層，該斷層的具體位置將對井筒中南北煤倉位置設計產生重要的影響。根據初始設計，南北煤倉分布在-723～-760m段，而通過前期地質勘探，推斷出F32斷層的大概位置在-760～-800m段，若斷層準確位置發生偏差將會對主井工程設計帶來影響。為更好地指導生產，需要利用物探手段對F32斷層進行超前探查，確定其精確位置以指導后續施工。

2 井筒掘進地質條件超前探測模擬

2.1 反射地震波法超前探測數值模擬

反射地震波法超前探測是在設計的震源點用少量炸藥激發產生地震波，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶或巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，被高靈敏度的地震檢波器接收，獲得探測方向有效的反射波組，從而對立井井筒前方不良地質體作出超前探測[14]。由前期地質勘探資料得知，F32斷層位置在-760～-800m段，為了得到反射波法對立井井筒掘進前方地質界面響應特征，設計了超前地質模型，如圖1所示。

圖1 井筒掘進前方地質界面模型

對數值模型進行設計時，由于井筒空間有限，地質條件相對復雜，其地震波場也較為復雜，所以，為在數值模擬中突出F32斷層的響應特征，本文對數值模型進行了簡化，只保留一地質界面R1，與F32斷層相對應。井筒超前探測現場探測介質為粉砂巖，進行現場實驗利用直達波計算出縱波速度為2300m/s，所以地質界面數值模型Layer 1層介質縱波速度設計為2300m/s；另外，為增強R1界面波阻抗差異性，提高反射地震波法探測效果，設計Layer 2層介質縱波速度為3500m/s。立井井筒掘進前方地質界面模型設計參數見表1。

表1 立井井筒掘進前方地質界面模型參數

采用有限差分波場模擬方法進行數值模擬，震源選用主頻60Hz的Ricker子波，完全匹配層(PML)吸收邊界條件。數值模擬成果如圖2所示，圖中立井井筒掌子面前方80m位置存在一能量較強的反射波，為R1地質界面反射，與模型設計一致。分析認為，該方法獲得了井筒掘進前方有效的反射波組，該波組與設計地質界面對應良好，可為現場探測提取有效反射波組提供依據。

圖2 立井井筒掘進前方地質界面模型模擬偏移剖面圖

2.2 瞬變電磁法超前探測物理模擬

瞬變電磁法是通過向井筒掘進前方發射脈沖磁場，斷開發射回線中的電流后，觀測二次渦流場隨時間的變化特征，來得到前方介質的電性、規模、產狀等，從而進行目標異常體探測的方法[15，16]。為了得到瞬變電磁法對井筒掘進前方地層不同富水情況下的響應特征，用于驗證瞬變電磁法基于電性特征分析可以判斷構造富水特征的有效性，設計了物理模型試驗。模型為底部直徑1000mm、高1200mm的圓柱體，采用砂石加水模擬構造富水特性，在模型中設計有注水孔，注水孔底端距離模型底部100mm，每次注水時，水先在模型底部擴散，同時，由于模型中砂石緊密性等賦存狀態不同，所以每次加水后水并不均勻分布于整個模型，即注水后，模型中會有砂石處于不含水或相對少水狀態，此時不含水或相對少水砂石相當于圍巖，所以，模型中砂石加水，既模擬了含水構造，也模擬了圍巖體。現場物理模型試驗測線布置如圖3所示。

圖3 物理模型試驗測線布置

利用瞬變電磁法進行探測，對砂石中進行不同水量置入，通過加水水量大小來改變模型模擬狀態(即每次加水后，模型中模擬的構造及圍巖狀況都會發生改變)，從而進行探測分析，可以得到瞬變電磁法對于井筒掘進前方不同地質條件賦存狀況下的電性響應特征，為構造超前探測及其富水特征判斷提供參考。經過試驗，獲得了模型不同水量時的響應特征，如圖4所示。從圖4中明顯看出砂石的電阻率值隨著水量的增加而出現不均勻降低，且模型底部砂石電阻率先降低，與水在模型中的擴散特征(水在模型中是不均勻擴散的，整體從模型底端向頂端擴散)一致，得出砂石的電性特征與其含水特征具有較高的相關關系，驗證了瞬變電磁法基于電性特征分析可以判斷構造富水特征的有效性，表明瞬變電磁法對含水構造超前探測是可行且有效的，可以通過其電性特征綜合分析判斷構造富含水特性。

圖4 物理模型試驗電阻率剖面圖

3 現場探測應用

3.1 探測布置

針對研究區需要解決的地質問題，基于模擬試驗結果，采用反射地震波及瞬變電磁綜合地球物理勘探方法技術，對主井井筒中F32斷層位置進行超前探測與預報。其中反射地震波法在井筒底板布置超前探測測線，其測線長度達7.6m，如圖5(a)所示。瞬變電磁法現場探測布置如圖5(b)所示，沿著正北方向從井壁往下至底板測點，完成測試點12個，測點位置均布置在底板，且橫向上屬于同一條直線，其中豎直向下探測方向測點4個，方向不變，位置改變，均勻分布在底板中軸線；從正北方向往下測點8個，只改變探測方向，不改變探測位置，位于井壁與底板中軸線交叉點。

圖5 現場觀測系統布置

3.2 探測結果分析

現場探測時井底深度為724.5m，井筒掘進方向超前探測結果如圖6所示。從反射地震波法偏移剖面中看出，在井筒軸心線方向85.5m處具有一組強的能量條帶，為反射異常界面，判斷該處為F32斷層位置。在瞬變電磁法電阻率剖面中，色彩代表巖層的電阻率值，發現在剖面中電阻率呈傾斜條帶分布，與斷層延伸方向一致。同時在井筒軸心線方向85m處出現一條帶狀低電阻率異常區域，電阻率值為18～20Ω·m，但其上、下部巖層電阻率值為24Ω·m以上，且該異常低電阻率條帶傾向與F32斷層傾向近于一致，分析為F32斷層構造帶影響結果，輔助判定出了斷層帶的位置。另外，斷層帶中電阻率值相對變低，但其基值較大，為18Ω·m以上，判斷F32斷層含水性不強。

圖6 井筒掘進方向超前探測結果

綜合反射地震波及瞬變電磁探測結果，得出主井井筒軸心線方向揭露斷層的位置在810～816m，即在標高-786.8～-792.8m段，巖層整體含水性不強。

4 結 論

1)利用數值和物理模擬方法研究了反射地震波法與瞬變電磁法對立井井筒掘進前方含水構造的響應特征，其中反射地震波法可以獲得前方地質界面有效的反射波組，對地質界面位置進行準確預報；瞬變電磁法可以獲得前方巖層電性特征分析其富水性，輔助判定地質界面位置。

2)數值模擬和物理模擬技術為井筒掘進前方含水斷層響應特征判識、井筒掘進超前探測敏感地球物理多參數綜合判斷提供了參考依據。

3)經現場井筒掘進超前探查，得出主井井筒軸心線方向揭露斷層的位置在-786.8～-792.8m段，巖層整體含水性不強，為煤倉位置確定及井筒安全施工提供了有效的技術參數，也可為同類工程提供參考。