物探技術(shù)在超前探測礦井含水層富水性中的應(yīng)用

趙磊，胡建華，周坦，敖長金，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.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

礦井涌水、突水、透水等水害會對生產(chǎn)安全和施工進度產(chǎn)生嚴重影響，水害的超前預(yù)測對礦山資源開采具有重要意義。雖然鉆探方法探測準確，但只能探測鉆孔及其周圍的地質(zhì)狀況，增加鉆孔又會增加勞動強度、延長鉆探時間、增加施工成本，不能完全預(yù)測工作面前方的含水情況，且鉆探鉆孔易成為導水通道，存在潛在的誘發(fā)突水風險。

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

1 工作原理

瞬變電磁探測技術(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、采場或掘進迎頭向預(yù)探測方向發(fā)射脈沖電磁波，在脈沖時間的間隔期，通過感應(yīng)線圈或接地極等設(shè)施來進行觀測、剖析介質(zhì)所產(chǎn)生的二次感應(yīng)場，根據(jù)探測介質(zhì)電阻率的變化規(guī)律來預(yù)測異常地質(zhì)體的分布和狀態(tài)。地下工程中的巖體、礦體、含水和導水結(jié)構(gòu)的導電性能、磁性千差萬別，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)場就可分析預(yù)測地下礦體的賦存狀態(tài)以及含水性、導水性等地質(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。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，這些材料將對礦井瞬變電磁場產(chǎn)生強烈的影響，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 探測方案

本探測方案的工作布置方法如下。

沿作業(yè)面迎頭布置3條測線，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，每條測線上設(shè)置 11個物理節(jié)點，合計33個物理節(jié)點，如圖2所示。利用在掘進迎頭移動發(fā)射接收線圈，形成3個方向的視電阻率斷面扇形圖。

圖1 勘探測線縱剖面布置

圖2 勘探測線橫剖面布置

4 探測成果釋義

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)面掘進頭30°斜向上（頂板）視電阻率探測扇形剖面，解譯如下：

圖3 作業(yè)面掘進頭30°斜向上視電阻率斷面

（1）該條測線的左幫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)面掘進頭前方順層方向視電阻率探測扇形剖面圖，解譯如下：

圖4 作業(yè)面掘進頭順層方向視電阻率斷面

（1）該條測線的左幫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)面掘進頭30°斜向下（底板）視電阻率探測扇形剖面圖，解譯如下：該條測線的正前、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)育帶導水情況。該巷道順層方向左幫、正前方及右?guī)痛嬖谙鄬Φ妥鑵^(qū)域，反應(yīng)強烈，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)面掘進重點關(guān)注防范部位。斜向下30°方向探測結(jié)果顯示右側(cè)存在明顯異常。

（2）結(jié)合地質(zhì)資料分析，對低阻異常區(qū)域設(shè)計鉆孔、打鉆驗證，必要時進行疏放水，確認安全后方可掘進。

（3）本次礦用瞬變電磁法物探按照“物探先行、鉆探驗證”程序開展工作，堅持“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)果與井下實際情況吻合，“兩探”都得到了互相驗證，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)報和防治提供便捷經(jīng)濟有效的技術(shù)指導。

5.2 建議

（1）異常區(qū)的劃分是相對的，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）金屬干擾問題不可避免，在本次探測中，既有管道電纜影響又有錨桿錨索影響，干擾復(fù)雜、嚴重，使探測結(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，如機械設(shè)備處于斷電停運狀態(tài)，盡量減少人為電磁噪聲，盡量由專人操作設(shè)備。

（3）加強對掘進工作面順層方向左幫、正前方及右?guī)偷乃橛^測及排水工作，安裝足夠排量的排水泵及排水管路，在掘進頭低凹處挖掘泵坑，及時排除巷道積水。掘進過程中若遇淋涌水，應(yīng)進行截水，工人穿雨衣并加強頂板觀察。

（4）在雨季來臨之前，應(yīng)加大地表巡查力度，如有發(fā)現(xiàn)采動裂縫或地表塌陷應(yīng)及時用土回填壓實，必要時注漿加固；對地面基巖露頭及火燒區(qū)周圍挖筑攔洪水溝。同時，加強對河道流量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即匯報、及時處理。遇強降雨天氣執(zhí)行《雨季三防應(yīng)急預(yù)案》緊急撤人[8]。