任建偉 ，謝雄剛，左冉振

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽 550025)

我國是世界上煤礦水文地質(zhì)最為復(fù)雜的國家之一，煤礦水害是僅次于瓦斯災(zāi)害的第二大煤礦事故。近年來，我國煤礦透水事故多發(fā)，給煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失和極大的社會影響。發(fā)生透水事故的重要原因是對礦區(qū)地下水富集情況及地下溶巖管道分布特征不了解，沒有及時做好預(yù)防措施。因此，查明礦區(qū)內(nèi)地下水富集區(qū)域及地下巖溶水道分布情況，是煤礦預(yù)防水害事故的重要措施[1-3]。目前，用于礦井水害探測的方法主要有：直流電法的三極三點(diǎn)源法、礦井瞬變電磁法和鉆孔超前探等。而使用最多的為瞬變電磁法，該方法具有如下特點(diǎn)：觀測斷電后的二次場，克服了復(fù)雜的一次場補(bǔ)償問題；可采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環(huán)境下的野外工作；在高阻圍巖地區(qū)不會產(chǎn)生地形起伏的假異常，巖石電阻越高，探測深度越深(對高阻圍巖中的低阻體反應(yīng)較敏感)；若采用較小線圈回線，工作較方便[4]。

結(jié)合坪土煤礦1502回風(fēng)石門迎頭巷道迎頭空間狹小、金屬設(shè)施少的特點(diǎn)，本次探測工作以該礦1502回風(fēng)石門為例，初步探測該石門前方的水源的分布特征。探討瞬變電磁法對礦井作業(yè)點(diǎn)水害超前預(yù)測預(yù)報的可行性。

1 瞬變電磁法探測技術(shù)原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：

(1)于井下設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

(2)探測時使發(fā)射線圈、接收線圈平行于掘進(jìn)工作面，在發(fā)射線圈內(nèi)通以一定的電流，瞬間關(guān)斷后，在前方任意時刻的渦流在發(fā)射線圈所處位置激發(fā)新的磁場能夠看作是水平環(huán)行線電流形成的磁場，等效的電流環(huán)貌似像從發(fā)射線圈中吹出的煙圈一樣，即所謂的“煙圈效應(yīng)”。根據(jù)“煙圈效應(yīng)”理論，晚期場主要由離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)前方介質(zhì)的感應(yīng)電流激發(fā)產(chǎn)生的，反映掘進(jìn)工作面前方較遠(yuǎn)距離巖層的電性結(jié)構(gòu)分布信息。早期場是由離掘進(jìn)工作面較近介質(zhì)的感應(yīng)電流激發(fā)產(chǎn)生的，反映離巷道迎頭距離較近巖層的電性結(jié)構(gòu)分布信息。因此，可以根據(jù)接收的純二次場隨時間延遲的變化信息，得到巷道迎頭前方巖層的電性結(jié)構(gòu)變化信息，以實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報探測的目的[ 5-8 ]。

(3)當(dāng)遇含水構(gòu)造時，由于地下水的移動及電離作用，電阻率呈現(xiàn)良導(dǎo)體低阻特征。

(4)分析對比電性參數(shù)，區(qū)分物性差異，尋找異常區(qū)可以劃分含水范圍。

(5)構(gòu)造發(fā)育區(qū)，或者是出現(xiàn)層位錯動，或者是裂隙發(fā)育，局部會出現(xiàn)明顯的富水構(gòu)造，由于裂隙水體的導(dǎo)電性良好，使得縱向橫向都打破了原有電性固有變化規(guī)律，并呈現(xiàn)出局部電性異常體的變化特征[9]。

2 工程概況

坪土煤礦位于貴州省息烽縣城西北，礦井采用斜井多水平上山分區(qū)式開拓方式。礦井主采煤層為K3和K5。礦井生產(chǎn)能力為150kt/a。開采的煤層大部分位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，少部分位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以下。直接充水水源主要為長興組巖溶裂隙及龍?zhí)督M裂隙水和老窯采空區(qū)積水、地表沖溝水，區(qū)域承壓水也可能突入，區(qū)域?qū)當(dāng)鄬?F1，F(xiàn)2)及其沿該斷層發(fā)育形成的暗河從井田中部斜切，并溝通了井田各含水層，使原有的相對隔水層失去作用，礦井向深向北開采后，充水來源及充水方式將變得復(fù)雜。1502采面設(shè)在K5煤層。K5煤層位于龍?zhí)督M第四段中下部，上距長興灰?guī)r79.19～220.01m(平均151.49m)。頂板為灰色灰?guī)r，屬中等穩(wěn)定性巖石；底板為直接底板為深灰色粉砂巖，易風(fēng)化崩解，遇水易膨脹、軟化，為不穩(wěn)定底板。1502回風(fēng)石門是坪土煤礦一采區(qū)左翼工作面回風(fēng)平巷和主斜井聯(lián)絡(luò)的巷道。具體位置見圖1。

圖1 坪土煤礦1502回風(fēng)石門位置

圖2 重疊回線探測裝置示意

3 掘進(jìn)工作面物探施工方案

3.1 探測方法

瞬變電磁超前探測示意如圖2所示。本次探測采用重疊回線裝置即發(fā)射回線(Tx)的中心點(diǎn)與接收回線(Rx)的中點(diǎn)在空間上重合，即接發(fā)距為零的組合。觀測時接收線圈貼近掘進(jìn)工作面，軸線指向探測方向。對于巷道掘進(jìn)頭來說，探測方向分別對準(zhǔn)巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，這樣可獲得前方一個扇形空間的信息。

3.2 測點(diǎn)布置

本次實(shí)驗(yàn)在坪土煤礦1502回風(fēng)石門迎頭超前探中共布置了15個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)從3個方向進(jìn)行水源探測，分別為沿水平方向探測、沿與水平方向成45°角往頂板方向探測、沿與水平成45°角往底板方向探測，探測的數(shù)據(jù)45個?？商綔y出3個剖面(如圖3),測點(diǎn)平面布置如圖4所示。

圖3 沿水平方向探測布置

圖4 測點(diǎn)平面布置示意

4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

本次瞬變電磁探測數(shù)據(jù)處理采用YCS160型礦井瞬變電磁儀配套的windows處理系統(tǒng)。瞬變電磁法觀測所得數(shù)據(jù)是各測點(diǎn)的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，才能對資料進(jìn)行解釋。其處理主要流程為: 讀取文件→數(shù)據(jù)預(yù)處理→數(shù)據(jù)濾波→后沿改正→處理→調(diào)用surfer，繪制成果圖件。

經(jīng)過處理得到坪土煤礦1502回風(fēng)石門迎頭與水平方向成45°角往底板方向探測視電阻率等值線擬斷面圖如圖5所示；沿水平方向探測視電阻率等值線擬斷面圖如圖6所示；與水平成45°角往頂板方向探測視電阻率等值線擬斷面圖如圖7所示。

圖5 與水平成45°角往底板方向探測成果

圖6 沿水平方向探測成果

圖7 與水平成45°角往頂板方向探測成果

在探測成果圖中，視電阻值反映較好，橫向縱向顯示的巖層的特征有一定的規(guī)律，隨著離迎頭距離的增加，視電阻率值整體上顯示較大且穩(wěn)定，但在局部存在明顯的變化。

(1)由圖5可看出，圖中存在兩處低阻異常區(qū)。第1處低阻異常區(qū)位于左側(cè)探測角度45～90°，探測距離橫坐標(biāo)范圍為0～-25m，探測距離縱坐標(biāo)范圍為22～38m，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m。第2處低阻異常區(qū)位于右側(cè)探測角度60～75°，探測距離橫坐標(biāo)50～60m，探測距離縱坐標(biāo)80～90m范圍內(nèi)，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m。

(2)由圖6可看出，圖中存在一處低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)位于左側(cè)探測角度45～90°，探測距離橫坐標(biāo)-9～-28m，探測距離縱坐標(biāo)22～42m范圍內(nèi)，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m。

(3)由圖7可看出，此處存在5處低阻異常區(qū)。第1處異常區(qū)位于左側(cè)探測角度60～75°，探測距離橫坐標(biāo)-8～-20m，縱坐標(biāo)27～40m范圍內(nèi)視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m；第2處異常區(qū)位于左側(cè)探測角度60～90°，探測距離橫坐標(biāo)-26～-44m，縱坐標(biāo)100～115m范圍內(nèi)視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m；第3處低阻異常區(qū)位于右側(cè)探測角度60～90°，探測距離橫坐標(biāo)8～14m，縱坐標(biāo)28～43m范圍內(nèi)，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m；第4處低阻異常區(qū)位于右側(cè)探測角度0～15°，探測距離橫坐標(biāo)0～32m，探測縱坐標(biāo)0～10m范圍內(nèi)，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m；第5處低阻異常區(qū)位于右側(cè)探測角度0～15°，探測距離橫坐標(biāo)100～110m，探測縱坐標(biāo)0～38m范圍內(nèi)，視電阻率相對較低，視電阻率值為10～20Ω·m。

綜合3個探測面的探測成果分析結(jié)果可知：

(1)在巷道左側(cè)與巷道左幫夾角45～90°，距巷道30m左右存在相對低阻區(qū)域，視電阻率值為10～20Ω·m。結(jié)合地質(zhì)資料分析知，此區(qū)域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

(2)在巷道右上方與巷道右?guī)蛫A角60～90°，距巷道頂板斜長40m左右存在相對低阻區(qū)域，視電阻率值為10～20Ω·m。知此區(qū)域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

(3)在巷道右上方與巷道右?guī)蛫A角0～15°，距巷道頂板斜長30m左右存在相對低阻區(qū)域，視電阻率值為10～20Ω·m。知此區(qū)域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

故存在3處相對低阻區(qū)域，阻值均在10～20Ω·m之間，區(qū)域含水性弱，對巷道掘進(jìn)無影響。

5 超前鉆探驗(yàn)證

為了查清1502回風(fēng)石門迎頭情況，確保掘進(jìn)施工的安全，降低礦井水害對掘進(jìn)施工的威脅，在1502回風(fēng)石門實(shí)施了探查工作。根據(jù)在1502回風(fēng)石門迎頭的瞬變電磁的探測結(jié)果，在巷道迎頭順巷道掘進(jìn)方向施工3個不同方向的0°角水平鉆孔，第1個鉆孔沿迎頭左偏16°角方位布置鉆孔；第2個鉆孔沿迎頭右偏19°角方位布置鉆孔；第3個鉆孔為沿迎頭右偏81°角方位布置鉆孔。3個鉆孔長度均為75m。鉆探結(jié)果顯示該區(qū)域有小裂隙，存在小量的裂隙水。鉆孔0°角水平鉆孔具體位置布置見圖8。

圖8 鉆孔位置布置

6 結(jié)論

(1)通過使用瞬變電磁探測儀對坪土煤礦1502回風(fēng)石門迎頭進(jìn)行探測，探明該回風(fēng)石門迎頭有3處相對低阻區(qū)域：在巷道左側(cè)與巷道左幫夾角45～90°，距巷道30m左右；在巷道右上方與巷道右?guī)蛫A角60～90°，距巷道頂板斜長40m左右；在巷道右上方與巷道右?guī)蛫A角0～15°，距巷道頂板斜長30m左右。3處阻值均在10～20Ω·m，

區(qū)域含水性弱，無大的水體和裂縫帶。

(2)根據(jù)在坪土煤礦1502回風(fēng)石門迎頭瞬變電磁的探測結(jié)果，礦方在該回風(fēng)石門迎頭沿巷道掘進(jìn)方向施工了驗(yàn)證鉆孔。驗(yàn)證鉆孔顯示該區(qū)域無大的水體及含水層，水文情況較為簡單，只有小裂隙，存在小量的裂隙水。

(3)實(shí)際鉆探情況與探測結(jié)果一致，表明了瞬變電磁法探測礦井作業(yè)點(diǎn)水害的可行性。

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