郭立全，張平松，李圣林，胡富彭

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤礦立井是礦山生產(chǎn)的咽喉，其施工條件惡劣，施工難度大，掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到較多復(fù)雜特殊地層或地質(zhì)構(gòu)造[1，2]，易引發(fā)井筒、巖壁涌水，從而導(dǎo)致突水、側(cè)幫垮塌等事故，給井筒的安全掘進(jìn)造成嚴(yán)重威脅[3]，因此，需要準(zhǔn)確地對(duì)井筒掘進(jìn)前方含水構(gòu)造進(jìn)行超前探查預(yù)報(bào)[4-8]。利用地球物理方法對(duì)井筒掘進(jìn)施工過(guò)程中含水構(gòu)造的超前探查預(yù)報(bào)前人已做過(guò)一定的研究。其中，謝焰等在井筒掘進(jìn)工程實(shí)例中進(jìn)行了井筒電法探水試驗(yàn)，由于測(cè)試方法得當(dāng)，資料準(zhǔn)確，減少了鉆探工程量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[4]。張五兵等以結(jié)合新集二礦井筒探水注漿工程，采用電法及超聲波綜合物探方法對(duì)井筒主要含水層進(jìn)行了超前跟蹤探測(cè)，并對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為井筒施工提供了安全保證[9]。趙利軍等基于貴州新田礦井井筒在掘進(jìn)過(guò)程中所遇到地下暗河的實(shí)際發(fā)育情況，采用反射共偏移探測(cè)方法，結(jié)合鉆探技術(shù)查明了暗河賦存情況，實(shí)現(xiàn)了井筒的安全快速優(yōu)質(zhì)施工[10]。向龍等在常規(guī)三維地震采集基礎(chǔ)上，采用小面元、多次覆蓋極大提高分辨率、加寬頻帶、加強(qiáng)高頻的技術(shù)，探測(cè)了黑拉嘎煤礦井筒掘進(jìn)前方的地層性質(zhì)及其地層含水性，并結(jié)合勘探報(bào)告水文地質(zhì)資料，明確了礦井井筒開拓方案[11]。Patterson、Stephen Prensky等提出了遠(yuǎn)探測(cè)縱波成像技術(shù)(DCWI)，該方法采用偶極源產(chǎn)生的低頻縱波提高探測(cè)深度，可對(duì)距離井筒30m遠(yuǎn)的裂縫和結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)成像處理，同時(shí)降低了衰減影響。DCWI與垂直地震剖面和井筒成像測(cè)井結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜井筒和地層結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征[12，13]。以上研究都對(duì)井筒掘進(jìn)施工提供了可靠的技術(shù)保障，表明了地球物理方法對(duì)井筒掘進(jìn)含水構(gòu)造超前探查預(yù)報(bào)的可行性和有效性。另外，由于單一地球物理方法在數(shù)據(jù)處理與解釋的過(guò)程中存在認(rèn)識(shí)多樣性與結(jié)果多解性的問(wèn)題，所以，為提高地球物理探測(cè)地質(zhì)解釋的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行多參數(shù)的綜合物探。

本文針對(duì)單一地球物理方法存在認(rèn)識(shí)多樣性與結(jié)果多解性的問(wèn)題，根據(jù)井筒掘進(jìn)地質(zhì)條件和地層巖石物理特性提出采用反射地震法和瞬變電磁法相綜合的多參數(shù)綜合物探方法對(duì)淮南潘一煤礦主井井筒掘進(jìn)前方F32斷層的準(zhǔn)確位置及富水情況進(jìn)行超前探測(cè)，并輔以數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)對(duì)井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)條件超前探查進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為礦井設(shè)計(jì)及井筒安全施工提供有效的技術(shù)保障。

1 工程概況

淮南潘一煤礦主立井井筒在掘進(jìn)過(guò)程中將遇到F32斷層，該斷層的具體位置將對(duì)井筒中南北煤倉(cāng)位置設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要的影響。根據(jù)初始設(shè)計(jì)，南北煤倉(cāng)分布在-723～-760m段，而通過(guò)前期地質(zhì)勘探，推斷出F32斷層的大概位置在-760～-800m段，若斷層準(zhǔn)確位置發(fā)生偏差將會(huì)對(duì)主井工程設(shè)計(jì)帶來(lái)影響。為更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，需要利用物探手段對(duì)F32斷層進(jìn)行超前探查，確定其精確位置以指導(dǎo)后續(xù)施工。

2 井筒掘進(jìn)地質(zhì)條件超前探測(cè)模擬

2.1 反射地震波法超前探測(cè)數(shù)值模擬

反射地震波法超前探測(cè)是在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)用少量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶或巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，被高靈敏度的地震檢波器接收，獲得探測(cè)方向有效的反射波組，從而對(duì)立井井筒前方不良地質(zhì)體作出超前探測(cè)[14]。由前期地質(zhì)勘探資料得知，F(xiàn)32斷層位置在-760～-800m段，為了得到反射波法對(duì)立井井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)界面響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)了超前地質(zhì)模型，如圖1所示。

圖1 井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)界面模型

對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于井筒空間有限，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，其地震波場(chǎng)也較為復(fù)雜，所以，為在數(shù)值模擬中突出F32斷層的響應(yīng)特征，本文對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只保留一地質(zhì)界面R1，與F32斷層相對(duì)應(yīng)。井筒超前探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)介質(zhì)為粉砂巖，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)利用直達(dá)波計(jì)算出縱波速度為2300m/s，所以地質(zhì)界面數(shù)值模型Layer 1層介質(zhì)縱波速度設(shè)計(jì)為2300m/s；另外，為增強(qiáng)R1界面波阻抗差異性，提高反射地震波法探測(cè)效果，設(shè)計(jì)Layer 2層介質(zhì)縱波速度為3500m/s。立井井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)界面模型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 立井井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)界面模型參數(shù)

采用有限差分波場(chǎng)模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬，震源選用主頻60Hz的Ricker子波，完全匹配層(PML)吸收邊界條件。數(shù)值模擬成果如圖2所示，圖中立井井筒掌子面前方80m位置存在一能量較強(qiáng)的反射波，為R1地質(zhì)界面反射，與模型設(shè)計(jì)一致。分析認(rèn)為，該方法獲得了井筒掘進(jìn)前方有效的反射波組，該波組與設(shè)計(jì)地質(zhì)界面對(duì)應(yīng)良好，可為現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)提取有效反射波組提供依據(jù)。

圖2 立井井筒掘進(jìn)前方地質(zhì)界面模型模擬偏移剖面圖

2.2 瞬變電磁法超前探測(cè)物理模擬

瞬變電磁法是通過(guò)向井筒掘進(jìn)前方發(fā)射脈沖磁場(chǎng)，斷開發(fā)射回線中的電流后，觀測(cè)二次渦流場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征，來(lái)得到前方介質(zhì)的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等，從而進(jìn)行目標(biāo)異常體探測(cè)的方法[15，16]。為了得到瞬變電磁法對(duì)井筒掘進(jìn)前方地層不同富水情況下的響應(yīng)特征，用于驗(yàn)證瞬變電磁法基于電性特征分析可以判斷構(gòu)造富水特征的有效性，設(shè)計(jì)了物理模型試驗(yàn)。模型為底部直徑1000mm、高1200mm的圓柱體，采用砂石加水模擬構(gòu)造富水特性，在模型中設(shè)計(jì)有注水孔，注水孔底端距離模型底部100mm，每次注水時(shí)，水先在模型底部擴(kuò)散，同時(shí)，由于模型中砂石緊密性等賦存狀態(tài)不同，所以每次加水后水并不均勻分布于整個(gè)模型，即注水后，模型中會(huì)有砂石處于不含水或相對(duì)少水狀態(tài)，此時(shí)不含水或相對(duì)少水砂石相當(dāng)于圍巖，所以，模型中砂石加水，既模擬了含水構(gòu)造，也模擬了圍巖體?，F(xiàn)場(chǎng)物理模型試驗(yàn)測(cè)線布置如圖3所示。

圖3 物理模型試驗(yàn)測(cè)線布置

利用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)，對(duì)砂石中進(jìn)行不同水量置入，通過(guò)加水水量大小來(lái)改變模型模擬狀態(tài)(即每次加水后，模型中模擬的構(gòu)造及圍巖狀況都會(huì)發(fā)生改變)，從而進(jìn)行探測(cè)分析，可以得到瞬變電磁法對(duì)于井筒掘進(jìn)前方不同地質(zhì)條件賦存狀況下的電性響應(yīng)特征，為構(gòu)造超前探測(cè)及其富水特征判斷提供參考。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，獲得了模型不同水量時(shí)的響應(yīng)特征，如圖4所示。從圖4中明顯看出砂石的電阻率值隨著水量的增加而出現(xiàn)不均勻降低，且模型底部砂石電阻率先降低，與水在模型中的擴(kuò)散特征(水在模型中是不均勻擴(kuò)散的，整體從模型底端向頂端擴(kuò)散)一致，得出砂石的電性特征與其含水特征具有較高的相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了瞬變電磁法基于電性特征分析可以判斷構(gòu)造富水特征的有效性，表明瞬變電磁法對(duì)含水構(gòu)造超前探測(cè)是可行且有效的，可以通過(guò)其電性特征綜合分析判斷構(gòu)造富含水特性。

圖4 物理模型試驗(yàn)電阻率剖面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用

3.1 探測(cè)布置

針對(duì)研究區(qū)需要解決的地質(zhì)問(wèn)題，基于模擬試驗(yàn)結(jié)果，采用反射地震波及瞬變電磁綜合地球物理勘探方法技術(shù)，對(duì)主井井筒中F32斷層位置進(jìn)行超前探測(cè)與預(yù)報(bào)。其中反射地震波法在井筒底板布置超前探測(cè)測(cè)線，其測(cè)線長(zhǎng)度達(dá)7.6m，如圖5(a)所示。瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)布置如圖5(b)所示，沿著正北方向從井壁往下至底板測(cè)點(diǎn)，完成測(cè)試點(diǎn)12個(gè)，測(cè)點(diǎn)位置均布置在底板，且橫向上屬于同一條直線，其中豎直向下探測(cè)方向測(cè)點(diǎn)4個(gè)，方向不變，位置改變，均勻分布在底板中軸線；從正北方向往下測(cè)點(diǎn)8個(gè)，只改變探測(cè)方向，不改變探測(cè)位置，位于井壁與底板中軸線交叉點(diǎn)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置

3.2 探測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)井底深度為724.5m，井筒掘進(jìn)方向超前探測(cè)結(jié)果如圖6所示。從反射地震波法偏移剖面中看出，在井筒軸心線方向85.5m處具有一組強(qiáng)的能量條帶，為反射異常界面，判斷該處為F32斷層位置。在瞬變電磁法電阻率剖面中，色彩代表巖層的電阻率值，發(fā)現(xiàn)在剖面中電阻率呈傾斜條帶分布，與斷層延伸方向一致。同時(shí)在井筒軸心線方向85m處出現(xiàn)一條帶狀低電阻率異常區(qū)域，電阻率值為18～20Ω·m，但其上、下部巖層電阻率值為24Ω·m以上，且該異常低電阻率條帶傾向與F32斷層傾向近于一致，分析為F32斷層構(gòu)造帶影響結(jié)果，輔助判定出了斷層帶的位置。另外，斷層帶中電阻率值相對(duì)變低，但其基值較大，為18Ω·m以上，判斷F32斷層含水性不強(qiáng)。

圖6 井筒掘進(jìn)方向超前探測(cè)結(jié)果

綜合反射地震波及瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，得出主井井筒軸心線方向揭露斷層的位置在810～816m，即在標(biāo)高-786.8～-792.8m段，巖層整體含水性不強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1)利用數(shù)值和物理模擬方法研究了反射地震波法與瞬變電磁法對(duì)立井井筒掘進(jìn)前方含水構(gòu)造的響應(yīng)特征，其中反射地震波法可以獲得前方地質(zhì)界面有效的反射波組，對(duì)地質(zhì)界面位置進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；瞬變電磁法可以獲得前方巖層電性特征分析其富水性，輔助判定地質(zhì)界面位置。

2)數(shù)值模擬和物理模擬技術(shù)為井筒掘進(jìn)前方含水?dāng)鄬禹憫?yīng)特征判識(shí)、井筒掘進(jìn)超前探測(cè)敏感地球物理多參數(shù)綜合判斷提供了參考依據(jù)。

3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)井筒掘進(jìn)超前探查，得出主井井筒軸心線方向揭露斷層的位置在-786.8～-792.8m段，巖層整體含水性不強(qiáng)，為煤倉(cāng)位置確定及井筒安全施工提供了有效的技術(shù)參數(shù)，也可為同類工程提供參考。