超前瞬變電磁探測(cè)技術(shù)研究及工程實(shí)踐

孫琦崢

（沁源縣應(yīng)急管理局，山西 長治 046500）

目前，能直觀反映探查區(qū)域水文地質(zhì)情況的方法主要是進(jìn)行鉆探，但是由于鉆探的施工周期比較長，存在一定的盲目性。瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)巷道的施工位置有較強(qiáng)的適應(yīng)性，縱向和橫向的分辨率高，探測(cè)方向性強(qiáng)，且施工方便、快捷、效率高，既能對(duì)掘進(jìn)工作面的前方順層進(jìn)行探測(cè)，也能對(duì)巷道的側(cè)幫、煤層頂和底板等進(jìn)行探測(cè)，具有不可比擬的效果，為水文地質(zhì)預(yù)測(cè)和水害防治提供技術(shù)手段和依據(jù)。

1 礦井概況

安達(dá)煤業(yè)9+10#煤層位于太原組下段的頂部，煤層厚度為0.36～3.52 m，上距9#煤層0～1.96 m，局部含有0～2 層夾矸，頂板巖性為石灰?guī)r和泥巖，底板巖性為粉砂巖和泥巖。西部聰子峪一帶局部已采空，井田范圍內(nèi)資源賦存區(qū)穩(wěn)定，大部分可開采。其中+1070 m 疏放水聯(lián)巷位于+1070 m 北回風(fēng)巷西側(cè)，南側(cè)為井田邊界，北側(cè)為未開采區(qū)域，東側(cè)為9201 工作面。

9+10#煤層的直接充水含水層是K2 石灰?guī)r含水層，也是太原組的主要含水層，巖性為深灰色，致密、堅(jiān)硬、性脆石灰?guī)r，一般含有燧石層及透鏡體，煤層厚度為0.68～8.38 m，局部較發(fā)育。在開采影響下，局部塌陷裂隙帶一方面與上覆的砂巖體會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系，另一方面與風(fēng)化裂隙水發(fā)生水力聯(lián)系，由于含水層為弱富水性，充水方式主要是頂板淋水。根據(jù)礦方調(diào)查與西部邊界相鄰處存在原赤水煤礦9+10煤層采空積水區(qū)，積水面積343 591 m2，積水量約為487 215 m3，距離本礦西部邊界較近。

施工的ZK302 號(hào)孔抽水試驗(yàn)單位涌水量為0.000 72 L/s·m，滲透系數(shù)0.019 m3/d，水位標(biāo)高為1 176.06 m，水質(zhì)類型為HCO3-K+Na 型，基建過程巷道涌水量可達(dá)800 m3/d 以上。因此，屬中等富水性裂隙含水層[1-2]。

2 瞬變電磁探測(cè)

9+10#煤層為實(shí)體煤層，無采空區(qū)突水危險(xiǎn)，采用瞬變電磁物探儀對(duì)工作面進(jìn)行超前探測(cè)。該區(qū)域上覆K2 灰?guī)r富水，為了避免巷道掘進(jìn)中直接揭露含水構(gòu)造，解除掘進(jìn)時(shí)頂板水和斷層水對(duì)工作面的威脅，同時(shí)為了查明頂板涌水是否與單斜構(gòu)造上部裂隙水有水力聯(lián)系，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)情況，在+1070 m 疏放水聯(lián)巷240 m 處采用礦井瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行超前探測(cè)。

2.1 探放水起始點(diǎn)確定

根據(jù)“探九進(jìn)六”原則確定物探起始位置[3]，每次超前物探90 m，預(yù)留30 m 安全距離，允許掘進(jìn)60 m。確定巷道物探起點(diǎn)位置在+1070 m 西疏放水巷到位后向南開口，為1#物探點(diǎn)，之后物探點(diǎn)每隔60 m 進(jìn)行一次。如掘進(jìn)中遇含水或有可能含水區(qū)域時(shí)，增設(shè)物探點(diǎn)，確保物探全覆蓋探測(cè)低阻異常區(qū)，保證采掘工作的安全高效。

2.2 超前瞬變電探測(cè)技術(shù)

+1070 m 疏放水聯(lián)巷沿9+10#煤層頂板掘進(jìn)，在掘進(jìn)過程中分別對(duì)頂板、順層、底板三個(gè)方向進(jìn)行物探超前探測(cè)。利用YTS25 礦用本安型探水CT儀對(duì)巷道進(jìn)行超前瞬變電探測(cè)[4]，探水CT 井下掘進(jìn)頭超前探測(cè)中心回線裝置，按照逆時(shí)針的方向依次排列角度，如圖1 所示，在選擇探測(cè)方向時(shí)先從迎頭右?guī)拖蜃笠来涡D(zhuǎn)采樣。

圖1 物探順序示意圖

沿+1070 m 疏放水聯(lián)巷工作面的迎頭共布置3條測(cè)線，每條測(cè)線上有7 個(gè)物理點(diǎn)，共計(jì)21 個(gè)物理點(diǎn)。在掘進(jìn)迎頭處移動(dòng)發(fā)射接收線圈，即可形成3 條超前探測(cè)的實(shí)測(cè)剖面，每掘進(jìn)60 m 探測(cè)一次，對(duì)探測(cè)結(jié)果顯示的低阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證工作。對(duì)已掘進(jìn)巷道再次進(jìn)行物探，分析放水前后的物探成果，修正儀器誤差，以利更準(zhǔn)確地全面分析工作面前方的含水情況。掘進(jìn)過程中如遇到隱伏導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，在物探的基礎(chǔ)上通過加密鉆孔進(jìn)行勘查。

2.3 本煤層鉆孔設(shè)計(jì)

超前距、允許掘進(jìn)和幫距的確定如下式：

式中：a是超前距，16.589 m；A是安全系數(shù)，一般取2～5，5；L是巷道跨度，4.24 m；P是水頭壓力，0.49 MPa；Kp是煤的抗張強(qiáng)度，0.6 MPa。

為了增大安全系數(shù)，探測(cè)的超前距定為30 m，幫距20 m。

每次探放水鉆孔完畢后，最短的鉆孔有效控制距離減去超前保護(hù)距離之后剩余的距離為允許掘進(jìn)距離。確定本層煤探水鉆孔中孔設(shè)計(jì)長度60 m，允許掘進(jìn)距離30 m，超前距30 m。

2.4 探放水鉆孔單孔設(shè)計(jì)

探放水鉆孔采用扇形布置在巷道中線及巷道的兩幫，以確保掘進(jìn)前方確實(shí)無水。一個(gè)鉆孔探向巷道迎頭正中施工，其他兩個(gè)鉆孔分別向左右兩翼施工，確保20 m 的有效幫距，確認(rèn)安全后方可進(jìn)行掘進(jìn)。其中，鉆孔的設(shè)計(jì)長度為60 m，允許掘進(jìn)距離為30 m，超前距30 m。如遇富水異常區(qū)頂板方向增設(shè)一個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，正常前探及增加鉆孔設(shè)計(jì)見表1。

表1 正常前探孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3 工程實(shí)踐

3.1 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果

圖2 為順腰線前進(jìn)方向30°、-30°的電阻率剖面圖。其中橫坐標(biāo)為測(cè)線坐標(biāo)，在0 m 處為探測(cè)起始位置，以90 m 為終點(diǎn)進(jìn)行扇形探測(cè)，按照巷道前進(jìn)的方向進(jìn)行探測(cè)，越往上，其電阻率越小，富水性越大。從圖2 中可以看出，+1070 m 水平疏放水聯(lián)巷240～300 m 內(nèi)不存在低阻異常，異常區(qū)的劃分是相對(duì)的，劃分的主要依據(jù)是電阻率值的高低，但引起電阻率變化的因素是多樣的。

圖2 超前瞬變電磁探測(cè)成果圖

3.2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際生產(chǎn)中，礦井的正常涌水量為30 m3/h，最大涌水量為49 m3/h，在下組煤采區(qū)水泵房安裝用于工作、備用和檢修的3 臺(tái)MDF155-30×2 型離心泵，其額定流量為155 m3/h，揚(yáng)程為60 m，配套使用的電機(jī)功率為250 kW。

通過探放水作業(yè)，工作面在掘進(jìn)時(shí)的正常涌水量為3 m3/h，最大涌水量為8 m3/h。+1070 m 水平采區(qū)水倉有效容量為600 m3，副水倉1000 m3，完全滿足排水需要。工作面內(nèi)排水路線為+1070 m 西疏放水巷→+1070 m 水平二采區(qū)北回風(fēng)上山→+1070 m 集中軌道上山，巷道內(nèi)挖一條排水渠，通過排水渠自流，進(jìn)入下組煤采區(qū)水倉內(nèi)，而后排入主水倉經(jīng)副斜井排出地面。

4 結(jié)論

為解決掘進(jìn)過程中頂板水對(duì)工作面造成的威脅，根據(jù)+1070 m 水平疏放水聯(lián)巷水文地質(zhì)概況，采用瞬變電法探測(cè)技術(shù)，對(duì)工作面頂板水進(jìn)行探放水設(shè)計(jì)，探測(cè)結(jié)果如下：

（1）利用YTS25 礦用本安型探水CT 儀對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前瞬變電探測(cè)，+1070 m 水平疏放水聯(lián)巷240～300 m 內(nèi)不存在低阻異常，異常區(qū)的劃分是相對(duì)的。

（2）工作面掘進(jìn)時(shí)正常涌水量為3 m3/h，最大涌水量為8 m3/h，使用超前瞬變電探測(cè)技術(shù)探測(cè)頂板水是可行的，可以超前排除工作面的積水隱患，同時(shí)為煤層的安全開采提供依據(jù)。