康 健

( 黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江省哈爾濱市，150022)

礦井水害一直是威脅工人生命和企業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素。由于地下含水層、相鄰礦井老采空區(qū)以及陷落柱、導水斷層等的存在，使巷道或工作面附近的含水體難以準確探測。而鉆孔探水方法的探水距離有限、工作效率低、工作強度大等缺陷，使礦井水害治理的難度倍增。近些年來，我國著手研究適用于礦井的瞬變電磁法(TEM)，目的在于探測分布于巷道或工作面附近的目標，更主要的目的是試圖解決礦井水害的超前探測問題，已取得了很多有價值的成果。牛之璉等先后對TEM勘探原理、數(shù)值計算、正反演等方面做了大量研究，并在油氣勘探、水文地質(zhì)研究、煤田勘探、采空區(qū)含水性等領(lǐng)域得到了廣泛應用；占文鋒等運用礦井TEM分別對采空區(qū)、工作面回風巷頂板進行水體探測，并根據(jù)探測結(jié)果提出了防治水的合理建議；楊海燕等在對全空間核函數(shù)分析的基礎上，提出了全空間全區(qū)視電阻率的核函數(shù)算法；許洋鋮等根據(jù)斜階躍關(guān)斷二次場感應電壓表達式，提出采用“雙煙圈”理論對瞬變電磁全期視電阻率進行計算和解釋，為全程瞬變電磁探測及解釋提供理論支持；其他學者對地—井瞬變電磁響應特征、瞬變電磁正演和反演以及數(shù)據(jù)的解釋等方面進行了更加深入的研究，以求得到更加準確的探測結(jié)果。

目前，瞬變電磁法勘探在煤礦采空區(qū)探水、巖層特征探測等方面應用較廣，但往往在探測過程中只進行地面半空間探測或礦井全空間探測，由于視電阻率等值線圖中的視電阻率是相對的，在半空間與全空間探測中的結(jié)果相差很大，不僅不能準確反映威脅礦井含水體的尺寸，而且也不能對煤礦含水體的形成、補給水源、水害形成機制等進行全面有效地分析。

本文基于瞬變電磁法，將地面半空間探測與井下全空間探測相結(jié)合，準確確定含水體的空間位置、尺寸以及含水體圍巖裂隙或?qū)當鄬拥姆植迹治隽说V井水害的形成機制，抓住主要因素，制定出切實可行的礦井水害防治方案。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是指電磁波的一次脈沖向地層發(fā)射并傳播電磁波，發(fā)射源瞬間斷電，在一次脈沖電磁場間歇期間，應用接收線圈接收二次感應形成的渦流場，通過信號的解釋、處理等，分析帶有地層物理性質(zhì)的信號，分析出前方未知區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)等，用這種探測技術(shù)來解決有關(guān)地質(zhì)問題，進而達到預測預報的目的。

基本工作方法是：在地面或空中設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)生一次電磁場，并在地下導電巖礦體中產(chǎn)生感應電流；斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。

2 工程背景

雞西市三鑫源煤礦位于雞西市恒山區(qū)西南，所處位置均為山地，周圍存在多處采空區(qū)，礦井涌水量較大?？碧絽^(qū)為山地地形，井口高程+406.8 m，現(xiàn)最深開采水平為+239.3 m，淋水較嚴重的下山巷段垂深為130 m。探測巷段與含水體330 m高程切片相對位置如圖1所示，背景為地面半空間瞬變電磁探測+330 m視電阻率等值線水平切片圖，紅色閉合區(qū)域為含水體大致范圍，黑色區(qū)域為礦井全空間瞬變電磁探測區(qū)域，該區(qū)域位于+260 m水平附近。

圖1 探測巷段與含水體330 m高程切片相對位置圖

3 含水體空間位置的確定

根據(jù)瞬變電磁法勘探的地質(zhì)任務，地面探測采用大定源回線裝置，線框大小為460 m×660 m，測線為南北向布置，基本線距40 m，由西向東分別表示為500 E～620 E，測點點距20 m，每條測線上測點由南向北表示為1160 N～1260 N；井下探測采用偶極裝置，點距為1 m，發(fā)射線框大小為1 m×1 m，共100匝，發(fā)射線框與接收線框相距10 m，且發(fā)射線圈與接收線圈共面。通過對原始采集信息進行數(shù)據(jù)整理—轉(zhuǎn)換與檢查—數(shù)據(jù)處理—數(shù)據(jù)解釋，最終繪制二維視電阻率剖面圖，將二維視電阻率剖面圖經(jīng)過處理得到如圖2所示的視電阻率垂直剖面圖(圖中紅色粗線為含水體中心位置)，將井下視電阻率等值線圖經(jīng)過處理得到如圖3、圖4所示的巷道頂板、兩幫視電阻率等值線圖。

通過分析圖2～圖4，初步確定造成該巷段頂板淋水嚴重、兩幫涌水量大的含水體范圍為：地面測線500 E～620 E范圍內(nèi)為含水體東西展布，點號1160 N～1260 N為含水體南北展布；含水體位于巷道上方60 m，距巷道左幫15 m、巷道右?guī)?0～80 m為含水體部分；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達82 m，垂直兩幫方向展布達90 m，從+360 m延伸至+260 m。

圖2 地面半空間瞬變電磁探測視電阻率等值線垂直剖面圖

圖3 巷道1井下探測區(qū)域頂板視電阻率等值線圖

圖4 巷道1井下探測區(qū)域左、右?guī)鸵曤娮杪实戎稻€圖

4 水害產(chǎn)生的原因

通過對水體空間位置的分析，得出含水體內(nèi)含水量不大，但礦井涌水量較大。

測線540 E切片的視電阻率等值線圖如圖5所示。通過對圖5進行仔細分析發(fā)現(xiàn)：含水體通過兩條小斷層與地表直接連通，含水體與巷道通過一條小斷層連通?？紤]到地表為山地且植被茂盛，當?shù)赜炅砍渑?，分析認為含水體是斷層1和斷層2地質(zhì)作用過程中形成的破碎帶，而且這兩條斷層構(gòu)成了與地表涵養(yǎng)水源的導水通道；斷層3與含水體也連通，但在開挖前該導水斷層并未延伸至巷道位置，由于巷道的開挖導致巷道圍巖破壞產(chǎn)生裂隙，并與斷層3連通。

圖5 540E測線切片視電阻率等值線圖

結(jié)合以上分析，含水體內(nèi)含水量不大，但由于與地表涵養(yǎng)水源相連通，導致了巷道1右?guī)陀克看?，巷道頂板淋水，左幫涌水量相對較小，而巷道2在該水平巷段內(nèi)未見頂板淋水和兩幫涌水。

通過對該煤礦礦井水文地質(zhì)條件和施工工程地質(zhì)條件的勘探與分析，得出造成該煤礦巷道1兩幫大量涌水、頂板淋水的主要地質(zhì)構(gòu)造因素為斷層1、斷層2和斷層3形成的導水通道；巷道1和巷道2的開挖形成的裂隙帶使導水通道與巷道貫通，斷層3直接連接了含水體與巷道，是含水體與巷道連通的主要導水通道，主要導水通道在距巷道1右?guī)图s45°方向20 m左右，該區(qū)域?qū)? m，該區(qū)域靜水壓力約為1.7 MPa。

5 水害防治

根據(jù)現(xiàn)場勘查、鉆孔查探等方法，最終確定在井下瞬變電磁探測位置分別沿巷道1向上延伸30 m、向下延伸10 m為注漿截流段。為防止巷道2內(nèi)將來也出現(xiàn)水害，確定在巷道2內(nèi)也采取注漿措施，確定在井下瞬變電磁探測位置分別沿巷道2向上延伸25 m、向下延伸10 m為注漿截流段。巷道斷面內(nèi)3個注漿鉆孔分別與水平面成15°、30°和45°夾角。注漿截流方案施工方案如圖6所示。

圖6 注漿截流方案施工示意圖

注漿截流方案施工后，巷道1內(nèi)兩幫不再涌水，頂板淋水現(xiàn)象消失，巷道2內(nèi)在鉆孔過程中有少許水量涌出，但在注漿完成后涌水現(xiàn)象消失。綜上所述，注漿截流取得了滿意的效果，同時驗證了對瞬變電磁法探測結(jié)果解釋的正確性。

6 結(jié)論

(1)依據(jù)瞬變電磁法原理，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，瞬變電磁法地面半空間、井下全空間探測確定威脅礦井水害的含水體位于井下探測區(qū)域的巷道上方40 m，距巷道左幫15 m、巷道右?guī)?0～80 m；從含水體分布平面圖可知含水體沿巷道軸向分布范圍達82 m，垂直兩幫方向分布范圍達90 m。

(2)巷道1目前的涌水量過大，是由于其開挖形成的裂隙帶使導水通道與巷道貫通，斷層3與巷道2之間形成的裂隙帶是含水體與巷道連通的主要導水通道，主要導水通道距巷道1右?guī)图s45°方向20 m左右，該區(qū)域?qū)? m，該區(qū)域靜水壓力約為1.7 MPa。

(3)綜合考慮環(huán)境、施工等方面因素，對導水通道提出了注漿截流法水害防治方案，取得了滿意的效果，為今后瞬變電磁法勘探的應用和礦井水害治理提供了參考。

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