封閉不良鉆孔礦井瞬變電磁法超前精細(xì)探測(cè)研究

黃忠正，姜國(guó)慶，王 軍，程久龍，馬 智，田楚霄，辛成濤

(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

鉆探在煤炭地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)勘探中發(fā)揮著巨大的作用，但由于部分鉆孔未按照設(shè)計(jì)要求封孔或封孔質(zhì)量不佳(稱為封閉不良鉆孔)，導(dǎo)致部分鉆孔不同程度地連通含水層，形成隱蔽性較強(qiáng)的導(dǎo)水通道，且難以圈定其影響范圍。因此，封閉不良鉆孔容易形成突水災(zāi)害，威脅煤礦安全開采[1-2]。

封閉不良鉆孔的常規(guī)探查方法主要分為鉆探和地球物理探查。鉆探可大致圈定封閉不良鉆孔的分布范圍，但其工作量大，成本高，且有可能再次引發(fā)突水危害。地球物理探查方法主要有礦井直流電法和礦井瞬變電磁法。在礦井直流電法探測(cè)方面，阮百堯等[3]提出了直流電阻率超前聚焦探測(cè)方法，通過屏蔽電極減少旁側(cè)影響，增加勘探深度，提高超前探測(cè)效果；韓德品等[4]提出了基于幾何交匯原理的七電極系探測(cè)系統(tǒng)，并通過層狀空間影響校正、非正前方影響校正等資料處理技術(shù)，定量解釋掘進(jìn)巷道前方災(zāi)害性含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造；高衛(wèi)富等[5]利用礦井三維直流電法獲得了頂板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體，圈定了工作面內(nèi)封閉不良鉆孔導(dǎo)水引起的低阻異常范圍。礦井直流電法在煤礦水害防治中得到廣泛應(yīng)用，但是由于該方法存在受巷道后方及側(cè)幫影響較大，對(duì)掘進(jìn)工作面前方異常體敏感性弱等缺點(diǎn)，影響了其超前探測(cè)效果[6]。

瞬變電磁法對(duì)低阻體反應(yīng)敏感，探測(cè)方向指向性好，施工方便高效。國(guó)內(nèi)學(xué)者將小線圈應(yīng)用于礦井下，并對(duì)掘進(jìn)面前方異常體進(jìn)行超前探測(cè)[7]。于景邨等[8]根據(jù)井下巷道實(shí)際條件，提出了多匝小線框測(cè)量裝置，完善了相關(guān)理論，并成功應(yīng)用于深部采場(chǎng)突水構(gòu)造探測(cè)；程久龍等[9]對(duì)礦井瞬變電磁法超前探測(cè)進(jìn)行了合成孔徑成像研究，有效降低了體積效應(yīng)，提高了探測(cè)精度；劉志新等[10]將礦井瞬變電磁法應(yīng)用于采煤工作面內(nèi)部和掘進(jìn)巷道前方的水文孔位置探測(cè)及富水性評(píng)價(jià)，并總結(jié)了水文鉆孔的電性響應(yīng)特征；郭純等[11]利用地下全空間瞬變電磁法對(duì)掘進(jìn)面前方連續(xù)跟蹤探測(cè)，表明該方法能有效預(yù)報(bào)掘進(jìn)面前方富水情況；劉志新等[12]在瞬變電磁信號(hào)處理中引入小波變換技術(shù)，通過分解與重構(gòu)，有效去除了晚期信號(hào)的噪聲干擾，提高了信噪比；張軍[13]提出礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測(cè)技術(shù)，通過改進(jìn)硬件與軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)淺層地質(zhì)體高分辨率探測(cè)。除此之外，不少學(xué)者結(jié)合鉆探與地球物理技術(shù)方法的優(yōu)勢(shì)，利用瞬變電磁法縮小封閉不良鉆孔范圍，再用鉆探方法進(jìn)一步確定富水情況，有效避免了封閉不良鉆孔導(dǎo)致的突水災(zāi)害[14]。姬亞東[15]利用抽水試驗(yàn)與示蹤試驗(yàn)相結(jié)合的綜合分析法，驗(yàn)證疑似封閉不良鉆孔是否構(gòu)成導(dǎo)水通道，使第四系含水層水涌入采空區(qū) 。

礦井瞬變電磁法超前探測(cè)具有對(duì)低阻體敏感，工作效率高，且距離異常體近，能提高采集數(shù)據(jù)的信噪比，從而提高解釋精度等特點(diǎn)。寧夏雙馬煤礦I0104108工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中要通過存在封閉不良鉆孔區(qū)域，且受頂板砂巖水水害威脅，為了精細(xì)探查封閉不良鉆孔可能導(dǎo)致的相對(duì)富水影響區(qū)，確保巷道掘進(jìn)過程中防治水安全，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行掘進(jìn)工作面超前探測(cè)。

1 礦井瞬變電磁法原理與方法

1.1 基本原理

礦井瞬變電磁法原理與地面瞬變電磁法基本一致，不同的是礦井瞬變電磁法是在井下巷道中進(jìn)行的，瞬變電磁場(chǎng)呈全空間分布，這時(shí)測(cè)量得到的瞬變響應(yīng)為全空間響應(yīng)。根據(jù)瞬變電磁場(chǎng)擴(kuò)散的“煙圈”理論[16]可知，當(dāng)供電電流突然斷開時(shí)，早期激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要局限于巷道附近巖層中，此時(shí)觀測(cè)的瞬變電磁場(chǎng)主要反映了距離觀測(cè)點(diǎn)較近巖層的電性分布；晚期激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)電流向外擴(kuò)散到距離巷道相對(duì)遠(yuǎn)的位置，此時(shí)觀測(cè)的瞬變電磁場(chǎng)主要反映了距離觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)巖層的電性分布。因此，通過記錄從早期到晚期瞬變電磁場(chǎng)的變化特征就可以得到距離觀測(cè)點(diǎn)由近及遠(yuǎn)不同位置巖層的電性分布特征，進(jìn)而對(duì)含水異常體、采空積水區(qū)、斷裂構(gòu)造、陷落柱、封閉不良鉆孔等地質(zhì)異常體進(jìn)行分析和解譯。

1.2 超前探測(cè)方法

由瞬變電磁場(chǎng)擴(kuò)散的 “煙圈”理論可知，供電電流斷開后，巷道圍巖中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的擴(kuò)散具有一定的方向性，其軸線方向?yàn)榫€框的法線方向，也就是通常認(rèn)為的礦井瞬變電磁法探測(cè)方向。因此，通過靈活調(diào)整線框的指向就可以進(jìn)行多方位、多角度的探測(cè)。巷道掘進(jìn)工作面超前探測(cè)時(shí)，將發(fā)射線框(Tx)和接收線框(Rx)垂直放置于巷道工作面后方(圖1)，轉(zhuǎn)換不同角度即可探測(cè)掘進(jìn)工作面前方一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷巷道掘進(jìn)工作面前方是否存在含水異常體。

圖1 礦井瞬變電磁法超前探測(cè)Fig.1 Advanced detection diagram of mine transient electromagnetic method

2 掘進(jìn)巷道前方封閉不良鉆孔瞬變電磁場(chǎng)特征

為研究全空間條件下巷道掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)規(guī)律，建立掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔三維地質(zhì)?地球物理模型，如圖2 所示。模型參數(shù)設(shè)置如下：煤層頂?shù)装宓貙与娮杪试O(shè)置為50 Ω·m；封閉不良鉆孔引起含水異常區(qū)電阻率設(shè)置為10 Ω·m；含水異常區(qū)半徑為5 m；高度150 m(其中煤層底板上方100 m，煤層底板下方50 m)；鉆孔中心距離巷道中線垂距為30 m；鉆孔中心距離掘進(jìn)工作面平面的垂距為50 m。采用重疊回線裝置，回線法線平行于底板，從左側(cè)幫開始，間隔10°進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集19 組數(shù)據(jù)。發(fā)射電流為2 A，關(guān)斷時(shí)間設(shè)定為0.02 ms，模型采用自由四面體非均勻網(wǎng)格自動(dòng)物理場(chǎng)控制剖分。

圖2 掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔三維地質(zhì)?地球物理模型Fig.2 Three dimensional geological-geophysical model of badly sealed drill in front of the heading face

圖3 為掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬多測(cè)道圖，圖中0 方向?yàn)榛鼐€法線指向左側(cè)幫；90°方向?yàn)榛鼐€法線指向正前方；180°方向?yàn)榛鼐€法線指向右側(cè)幫；模型中含水異常區(qū)中心位于120°方向。從圖3可以看出，仰角30°方向與水平方向數(shù)值模擬結(jié)果較為相似，多測(cè)道圖上110°、120°和130°方向中、晚期感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值明顯升高，并且以120°方向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，從而說明封閉不良鉆孔可以引起瞬變電磁場(chǎng)衰減變慢，實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)升高。數(shù)值模擬結(jié)果表明，封閉不良鉆孔附近含水體在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多測(cè)道圖上表現(xiàn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增強(qiáng)，異常特征明顯。

圖3 掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬多測(cè)道圖Fig.3 Numerical simulation multi-channel map of badly sealed drill in front of the heading face

3 基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理

礦井瞬變電磁法工作環(huán)境為井下全空間，為了準(zhǔn)確反映井下地質(zhì)體的電性特征，必須采用建立在全空間理論之上的數(shù)據(jù)精細(xì)化處理方法。

3.1 磁場(chǎng)計(jì)算

瞬變電磁儀器記錄的一般為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁感應(yīng)強(qiáng)度垂向分量Bz需要通過對(duì)時(shí)間變化率?Bz/?t數(shù)值積分獲得，其轉(zhuǎn)換表達(dá)式為：

式中：tw1,tw2,···,twN+1分別為t1,t2,···,tN時(shí)窗中心所對(duì)應(yīng)的時(shí)窗邊界，下標(biāo)w1,w2,···,wN,wN+1 為時(shí)窗邊界編號(hào)；t為時(shí)間，s；i=1,2,···,N為時(shí)窗中心編號(hào)。

式(1)寫成離散形式為：

式中：BZ(twi)為twi時(shí)刻的磁場(chǎng)值；BZ(twN+1)為twN+1時(shí)刻的磁場(chǎng)值，該磁場(chǎng)值可以根據(jù)觀測(cè)?Bz(t)/?t變化趨勢(shì)，采用對(duì)數(shù)域線性回歸方法[17]計(jì)算得到；j為時(shí)窗中心編號(hào)，j=1,2,···,N。

3.2 全空間瞬變電磁全區(qū)視電阻率計(jì)算

均勻全空間介質(zhì)中水平放置的圓形發(fā)射框中心的瞬變響應(yīng)可以表示為：

式中：μ為磁導(dǎo)率，H/m；I為發(fā)射電流，A；a為發(fā)射線圈的半徑，m；ρ為均勻全空間的電阻率，為誤差函數(shù)。此時(shí)，全區(qū)視電阻率可以表示為：

其中，核函數(shù)Y'(Z)為雙值函數(shù)，其函數(shù)曲線存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(Z=1.225 處)；核函數(shù)Y(Z)為單值函數(shù)，其函數(shù)曲線單調(diào)上升。利用式(8)和式(9)，在斜階躍校正的基礎(chǔ)上運(yùn)用二分搜索算法[18]可以分別計(jì)算實(shí)測(cè)?Bz/?t與Bz對(duì)應(yīng)的Z值，將Z值代入式(5)則可以分別得到?Bz/?t與Bz定義的全區(qū)視電阻率ρDBR與ρBZR。同時(shí)計(jì)算ρDBR與ρBZR可以有效避免單純使用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)參數(shù)引起的假薄層問題，突出ρDBR參數(shù)的垂向高分辨率和ρBZR參數(shù)對(duì)地層結(jié)構(gòu)反映可靠、早期階段效果好的優(yōu)勢(shì)。

3.3 理論模型成像

采用上述處理方法對(duì)圖2 理論模型數(shù)值模擬響應(yīng)進(jìn)行成像[19]。圖4 為理論模型水平方向超前探測(cè)視電阻率斷面圖，從圖4 可以看出在掘進(jìn)工作面右側(cè)幫存在一處明顯的低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)中心電阻率在10～20 Ω·m，而圍巖電阻率在50 Ω·m 左右，異常區(qū)低阻特征明顯。通過與理論模型對(duì)比可以看出，低阻異常區(qū)位置與理論模型中封閉不良鉆孔影響區(qū)位置完全一致。理論模型成像結(jié)果充分驗(yàn)證了文中基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理方法的有效性。

圖4 理論模型水平方向超前探測(cè)視電阻率斷面圖Fig.4 Horizontal advance detection apparent resistivity section of the theoretical model

4 工程應(yīng)用

4.1 地質(zhì)概況

根據(jù)水文地質(zhì)資料，寧夏雙馬煤礦I0104108 工作面主要充水水源為直羅組砂巖含水層與2～6 煤間延安組含水層。其中，直羅組砂巖含水層平均厚度42.7 m，距I0104108 工作面26.1～69.7 m，平均55.6 m，巖性為粗粒含礫長(zhǎng)石石英砂巖，具大型交錯(cuò)層理，局部地段裂隙發(fā)育，富水性為弱?中等，是工作面主要防治水對(duì)象。I0104108 工作面內(nèi)部存在前期勘探所施工的地質(zhì)鉆孔，這些地質(zhì)鉆孔部分封閉不良，可能溝通至直羅組含水層，巷道在掘進(jìn)過程中旁側(cè)通過或直接揭露這些地質(zhì)鉆孔可能造成涌水量增大甚至發(fā)生水害事故。為了保障巷道安全掘進(jìn)，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行掘進(jìn)工作面超前探測(cè)[20]，重點(diǎn)查明已知封閉不良鉆孔M2103 附近巖層的相對(duì)富水性特征。

4.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用YCS128 礦用瞬變電磁儀，重疊回線裝置，線框邊長(zhǎng)2 m，發(fā)射電流3 A，關(guān)斷時(shí)間6 μs，接收時(shí)窗128 個(gè)。該裝置與探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體能最佳耦合，具有響應(yīng)曲線形態(tài)簡(jiǎn)單、接收電平高、穿透深度大、施工靈活方便等特點(diǎn)。掘進(jìn)工作面超前探測(cè)共進(jìn)行3個(gè)方向的平面超前探測(cè)和1 個(gè)方向垂向超前探測(cè)，其中，平面超前探測(cè)方向分別為：仰角45°、仰角30°和水平方向，每個(gè)角度平面扇形均采集自左側(cè)幫90°至右側(cè)幫90°間隔15°的13 組數(shù)據(jù)；垂向超前采集掘進(jìn)工作面正前方頂板90°至底板90°間隔15°的13 組數(shù)據(jù)。具體探測(cè)方向如圖5 所示。

圖5 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)方向Fig.5 Directions of advance detection in heading face

4.3 探測(cè)結(jié)果分析

采用前文所述的基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得礦井瞬變電磁法超前探測(cè)扇形斷面圖(圖6)。從圖6可看出，巷道前方0～50 m 范圍內(nèi)巖層視電阻率整體較高，為正常地層反應(yīng)，解釋為巖層相對(duì)含水性極弱。已知封閉不良鉆孔M2103 位于掘進(jìn)工作面正前方稍微偏右位置，鉆孔附近由頂板仰角45°方向到仰角30°方向均存在明顯低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)中心大致位于鉆孔附近，并且由異常中心向外視電阻率逐漸升高，根據(jù)異常位置及形態(tài)特征推斷鉆孔附近低阻異常區(qū)的形成與鉆孔M2103 具有一定的關(guān)聯(lián)性。從圖6c 中可以看出，水平方向鉆孔M2103 附近巖層視電阻率相對(duì)較高，不存在明顯低阻異常。綜合對(duì)比分析可知，鉆孔M2103 附近的低阻異常在空間上主要位于巷道頂板，在巷道掘進(jìn)工作面前方水平方向上異常不明顯，表明其周圍相對(duì)富水性沒有明顯增加。

圖6 掘進(jìn)工作面平面超前探測(cè)視電阻率斷面圖Fig.6 Planar advance detection apparent resistivity sections of heading face

另外，由圖6 可以看出，除了上述封閉不良鉆孔附近的低阻異常區(qū)外，在巷道左側(cè)幫頂板仰角45°～0°方向及右側(cè)幫頂板仰角30°～0°方向也存在局部低阻異常區(qū)，推斷為頂板砂巖局部弱富水區(qū)。由于這些弱富水區(qū)距離掘進(jìn)巷道相對(duì)較遠(yuǎn)，對(duì)巷道掘進(jìn)影響不大，但是在工作面回采之前要有針對(duì)性地布置探放水工作。

圖7 為掘進(jìn)工作面垂向超前探測(cè)斷面圖，根據(jù)全空間瞬變電磁法“煙圈”理論，巷道正前方及鉆孔M2103附近巖層均在有效探測(cè)范圍內(nèi)。從圖中可以看出，掘進(jìn)工作面前方0～50 m 范圍內(nèi)巖層視電阻率整體較高，為正常地層反映，解釋為巖層相對(duì)含水性極弱。巷道掘進(jìn)工作面前方仰角45°～10°方向50～110 m 范圍存在明顯的低阻異常區(qū)，異常形態(tài)整體呈近直立狀。通過與圖6 平面超前探測(cè)斷面圖對(duì)比可以看出，平面超前探測(cè)斷面圖與垂向超前探測(cè)斷面圖反映的低阻異常空間位置一致，即鉆孔M2103 附近巷道頂板中存在垂向上近直立的低阻異常，異常平面中心大致位于鉆孔M2103 附近。

圖7 掘進(jìn)工作面垂向超前探測(cè)視電阻率斷面圖Fig.7 Vertical advance detection apparent resistivity section of heading face

綜合平面超前探測(cè)和垂向超前探測(cè)成果進(jìn)行分析，推斷封閉不良鉆孔M2103 一定程度上導(dǎo)通了頂板直羅組含水層和延安組含水層，成為導(dǎo)水通道，使鉆孔附近頂板巖層富水性相對(duì)增強(qiáng)，形成局部相對(duì)弱富水區(qū)。而在巷道前方水平方向鉆孔M2103 附近巖層含水性相對(duì)較弱，以極弱富水為主。因此，推斷巷道沿設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)時(shí)不會(huì)揭露該封閉不良鉆孔形成的明顯富水異常區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)鉆孔涌水情況，但是在回采過程中要對(duì)鉆孔附近可能的頂板涌水量增大進(jìn)行預(yù)防。

4.4 掘進(jìn)工程驗(yàn)證情況

I0104108 工作面運(yùn)輸巷沿設(shè)計(jì)方向正常掘進(jìn)，經(jīng)過M2103 鉆孔附近時(shí)，煤層基本正常，但頂板相對(duì)潮濕，未出現(xiàn)涌水情況，安全通過該封閉不良鉆孔影響區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)揭露情況與礦井瞬變電磁法推斷解譯結(jié)果吻合。

5 結(jié) 論

a.掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬結(jié)果表明，封閉不良鉆孔及其附近含水體在全空間瞬變電磁多測(cè)道圖上表現(xiàn)為局部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增強(qiáng)，且異常特征較為明顯，證明礦井瞬變電磁法對(duì)封閉不良鉆孔進(jìn)行探測(cè)在理論上是可行的。

b.寧夏雙馬煤礦掘進(jìn)工作面超前探測(cè)結(jié)果表明，封閉不良鉆孔M2103 具有一定導(dǎo)水性，導(dǎo)通頂板直羅組含水層及延安組含水層，使鉆孔附近頂板巖層相對(duì)富水性增強(qiáng)，形成局部弱富水區(qū)。而在巷道前方水平方向巖層富水性則相對(duì)較弱，以極弱富水為主。因此，推斷巷道沿設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)時(shí)，巷道附近受巖層富水性影響不大。但在回采過程中，要針對(duì)頂板弱富水區(qū)布置探放水鉆孔，必要時(shí)進(jìn)行注漿封堵，預(yù)防頂板在鉆孔附近出現(xiàn)涌水量增大。

c.巷道掘進(jìn)揭露情況與礦井瞬變電磁法推斷解譯結(jié)果吻合，巷道掘進(jìn)中正常通過封閉不良鉆孔影響區(qū)。研究結(jié)果表明，礦井瞬變電磁法可以對(duì)封閉不良鉆孔的導(dǎo)水性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為制定封閉不良鉆孔治理措施提供依據(jù)。