李 彤

(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司,山西 陽泉 045000)

目前,在巷道中可采用的地球物理探測方法較多,主要分為三大類。一是礦井地震類，包括:礦井地震勘探、槽波地震勘探、瑞雷面波技術、震波層析技術、聲波及微震技術。二是礦井電磁法類，包括:礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、地質(zhì)雷達。其他類，包括:紅外探測技術、放射性探測技術、電磁輻射法等。雖然礦井地震、直流電法、瞬變電磁法等礦井物探技術對井下構造及異常探測有一定效果,但每一種物探方法有著各自的特點,也存在各自的應用前提和條件,尤其在復雜探測條件下,僅靠一種探測方法存在局限性。通過鉆探物探一體化技術研究,能提高鉆探工程的判視能力和精準度，達到一孔多見,對于礦井探放水以及地質(zhì)勘探質(zhì)量的提高具有重要作用,是煤礦安全生產(chǎn)的保障[1]。

1 現(xiàn)場測試布置

1.1 地質(zhì)概況及探測方法

新景煤礦15303工作面尚未形成,巷道正在掘進,現(xiàn)15303進風巷西側為80117工作面采空區(qū),如圖1所示。

圖1 新景煤礦15303進風巷平面圖Fig.1 Plan of 15303 intake airway in Xinjing Mine

為了精準地探明15303進風巷掘進前方的地質(zhì)水文異常情況,保障15303進風巷正常安全地掘進,決定在15303進風巷探放水鉆場、迎頭位置附近、巷道后方進行鉆探物探一體化綜合超前探測。

根據(jù)鉆探施工的不同階段,選用針對性的探測方法。

1)鉆探前。采用地震、電法、瞬變等方法進行巷道綜合超前探測,結合鉆探揭露資料獲取迎頭前方構造發(fā)育及富水性情況。

2)鉆探過程中。在鉆桿上安裝隨鉆地震記錄編錄儀,形成孔內(nèi)、孔外觀測系統(tǒng),隨鉆確定鉆孔空間軌跡,隨機測試鉆進過程中的鉆孔圍巖不同地震屬性,同時對鉆探過程全程管控。

3)鉆探成孔后。采用鉆孔電視對鉆孔進行攝錄,確定成孔質(zhì)量,獲取孔壁巖性變化、裂隙發(fā)育及出水情況,形成數(shù)字化鉆孔巖心;采用孔中電法、孔中瞬變電磁等技術進行綜合探測研究,精細探查鉆孔巖性變化、周邊及前方的圍巖構造發(fā)育及富水性異常[2]。

通過上述過程的探測研究,實現(xiàn)超前預測15303進風巷鉆探范圍內(nèi)前方及周邊異常體情況。進行巷道和鉆孔物探聯(lián)合對比分析,獲取巷道左側及迎頭前方更為精確可靠的地質(zhì)異常情況[3]。

1.2 孔中電法探測

本次孔中電法電極裝置采用YZD11礦用本安型槽波地震電法系統(tǒng),信號傳感器靈敏度高,可以進行孔內(nèi)高密度電阻率法探測和鉆孔孔底超前探測。電極采用銅絲與煤壁進行耦合,電極極距2.5 m,共32道,可以在孔內(nèi)進行移動覆蓋測量。探孔內(nèi)傳感器布置情況如圖2所示。

圖2 孔中電法電極裝置Fig.2 Electrode device in boreholes

1.3 巷孔瞬變電磁探測

巷孔瞬變電磁探測是利用巷道和鉆孔聯(lián)合實施瞬變電磁探測的一種技術,其基本原理與地面瞬變電磁法基本相同,均是由法拉第電磁感應定律和麥克斯韋方程組推導而來,兩者的差異在于巷孔瞬變電磁具有特殊的全空間響應特征[4]。巷孔瞬變電磁是從地井瞬變發(fā)展衍生而來的,在巷道內(nèi)進行場源激發(fā),在鉆孔內(nèi)利用電磁傳感器進行感應電壓信號的觀測,即外發(fā)-內(nèi)收模式,如圖3所示。

圖3 巷孔瞬變電磁探測示意圖Fig.3 Transient electromagnetic detection in boreholes

1.4 隨鉆地震探測

鉆柱振動錄井技術是通過在鉆柱上安置振動傳感器對鉆具振動進行連續(xù)的監(jiān)測。傳感器在鉆頭后方靠近鉆頭的位置安裝。所測振動信號直接來源于鉆頭,振動信號保存在存儲器中。隨鉆測震儀具有鉆探過程中隨鉆三分量震動測量和軌跡測量功能,通過鉆頭與巖層的動力反應譜分析,能夠?qū)崿F(xiàn)對探測前方的巖性與構造的勘探[5]。

1.5 孔中電視探測

本次探測采用YZG12型礦用鉆孔可視軌跡儀?？變?nèi)攝像機用來攝取孔壁圖像,獲得的視頻信號通過視頻傳輸電纜傳輸?shù)讲杉?將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,采集器再傳輸給上位控制器進行圖像處理、存儲和實時顯示。該技術可以充分利用鉆孔獲得地下信息,形成數(shù)字化鉆孔芯樣,永久保存,用來獲取鉆孔地層結構劃分和對孔壁裂隙及巖溶發(fā)育情況的判別[6]。

2 巷道綜合物探結果分析

2.1 巷道直流電法探測成果

迎頭位置為15303進風巷N3125點前75 m,采用并行電法超前探測布置方式,在巷道迎頭及后方布置電法測線,電極間距4 m,自迎頭往后共布置48個電極,其中第一個電極位于迎頭掌子面底部,測線長度188 m。直流電法測線布置平面圖如圖4所示。

圖4 直流電法測線布置平面圖Fig.4 Layout plan of measuring lines by DC method

直流電法超前探測結果如圖5所示。采用頻率極化偏移法,探測深度為110 m,在該探測區(qū)域內(nèi),整體視電阻率較高,無明顯的等值線突變區(qū)域,表明掘進迎頭前方探測區(qū)域內(nèi)整體富水性弱,無較大的構造異常區(qū)。

圖5 直流電法超前探測成果圖Fig.5 Advanced detection results by DC method

2.2 巷道瞬變電磁探測成果

探放水鉆場位置為15303進風巷N3125點前64 m,在探放水鉆場內(nèi)進行常規(guī)瞬變電磁超前探測,共布置19個測點,每個測點沿著頂板、水平方向、底板從上往下進行9個方向的探測,分別為頂板60°、頂板45°、頂板30°、頂板15°、水平方向、底板15°、底板30°、底板45°和底板60°,共計采集測點數(shù)據(jù)19×9=171組數(shù)據(jù)。

圖6為探放水鉆場內(nèi)瞬變電磁法超前探測成果圖,圖中橫坐標為相對巷道中心距離,縱坐標為垂直巷道掘進方向距離,坐標系以探放水鉆場中點位置為坐標原點,指向巷道前方為X軸正方向,指向80117采空區(qū)方向為Y軸正方向。根據(jù)瞬變電磁探測結果,結合相關的地質(zhì)和水文資料,可確定橫向、水平深度及垂向深度電性變化情況。圖7為水平探測方向橫向剖面成果貼圖。

圖6 瞬變電磁法探測成果剖面圖Fig.6 Sectional profile of detection by transient electromagnetic detection

圖7 水平探測方向成果貼圖Fig.7 Horizontal detection results

根據(jù)地質(zhì)資料,該探測區(qū)域煤層傾角約10°,80117采空區(qū)位于探放水鉆場頂板10°方向左右,水平距離約30 m。從圖6可以看出,主要相對低阻異常區(qū)位于頂板15°方向、水平方向和底板15°探測方向。其中頂板15°方向異常區(qū)YC1相對坐標為X=-18～62 m,Y=18～84 m;水平探測方向異常區(qū)YC1相對坐標為X=-14～48 m,Y=18～78 m;底板15°探測方向異常區(qū)YC1相對坐標為X=-6～58 m,Y=10～56 m。

針對采空區(qū)探測,采空區(qū)內(nèi)巖石跨落、巖體破碎,如果采空區(qū)內(nèi)不積水,則其導電性較差,局部電阻率值增高;如果采空區(qū)含水,由于其導電性好,相當于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。根據(jù)現(xiàn)場探測條件和地質(zhì)資料綜合分析,YC1為80117采空區(qū)積水影響所致,該區(qū)域富水。

2.3 巷道地震超前探測成果

迎頭位置為15303進風巷N3125點前75 m,在巷道兩幫及迎頭掌子面上布置炮點和檢波點,現(xiàn)場共放炮16炮,炮間距約5 m,統(tǒng)一采用瞬發(fā)雷管,100 g乳膠炸藥進行激發(fā)。共布置16個三分量傳感器采集數(shù)據(jù)(即48道采集數(shù)據(jù)),其中迎頭掌子面上布置2個三分量傳感器,巷道左幫布置12個三分量傳感器,巷道右?guī)筒贾?個三分量傳感器,形成超前高密度地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對掘進迎頭前方及巷道左幫進行探測,現(xiàn)場布置如圖8所示。

圖8 高密度地震探測系統(tǒng)布置圖Fig.8 Layout of high-density seismic detection system

圖9為巷道左幫檢波器進行處理分析所得到的巷道前方地震縱波深度偏移成像結果,深度偏移剖面反映了巷道前方彈性差異界面在空間的位置關系。

通過左幫檢波器深度偏移可以得出前方130 m的異常反射界面情況,根據(jù)探測成果當日迎頭位置前方無明顯波阻抗反射界面,表明探測前方煤體完整,無不良構造區(qū)。

圖9 左幫檢波器深度偏移剖面圖Fig.9 Depth migration profile of detector on the left

3 孔中綜合物探結果分析

物探鉆孔位于N3125點前27 m位置處,如圖10所示,主要針對物探鉆孔及周邊的電性變化(巖性變化)、裂隙發(fā)育等情況進行分辨和評價。首先在鉆探的過程中同步實施了隨鉆測震試驗,其次在鉆探成孔后實施了孔中電視、孔中直流電法和孔中瞬變電磁法的探測試驗。其中,物探鉆孔參數(shù)為:鉆孔終孔孔徑113 mm;無套管;孔深75 m;方位角273.1°;傾角+9.6°。

圖10 物探鉆孔平面示意圖Fig.10 Plan of drilling holes of geophysical exploration

3.1 隨鉆地震探測

通過分析15303進風巷N3125點前27 m位置探測數(shù)據(jù),采取方差分析來判定鉆機的不同工作狀態(tài)獲取鉆進信息。鉆機在停機、推進鉆桿、接鉆桿等工作狀態(tài)下震動信號較弱,其方差較小;而鉆機正常鉆進時震動信號較強,方差較大。結合正常鉆進的最小鉆進時間、方差判定值和倒尺的最小間隔時間,剔除由于敲擊鉆桿、推進鉆桿、接鉆桿等的數(shù)據(jù)信息,提取每次倒尺的鉆桿鉆進信息,而每次倒尺鉆進數(shù)據(jù)對應的深度為1 m,進行相應的時深轉(zhuǎn)換,最終得出鉆進信息能量分析圖,如圖11所示。

在鉆進信息能量分析圖中,前面地質(zhì)條件相對穩(wěn)定,出現(xiàn)異常情況的主要是探孔后半段,在探孔深度12.2～12.5 m,58.2～58.4 m,67.8～68.4 m處能量顯示為異常區(qū)域(黑色線框區(qū)域)。結合現(xiàn)場地質(zhì)情況,全程在煤層中鉆進,震動能量整體較為一致,上述高能量中低能量異常區(qū),可以判斷為煤層中的裂隙帶或巖性變?nèi)鯀^(qū)域。

3.2 孔中直流電法探測

在物探孔中共布置20道電極采集電法數(shù)據(jù),電極間距2.5 m,每個電極處采用銅絲與煤壁進行耦合,1#電極距離孔口48.5 m,20#電極與孔口距離為1 m；在孔口至迎頭位置區(qū)域的巷道左幫繼續(xù)布置電極,共布置20道,電極間距2.4 m,測線長度47 m,測線布置示意圖如圖12所示。

圖11 鉆進信息能量分析圖Fig.11 Drilling information energy analysis

圖12 孔中直流電法布置平面圖Fig.12 Layout plan of DC method in boreholes

圖13所示為物探孔孔內(nèi)(孔口+48.5 m)前方47.5 m范圍內(nèi)超前探測視電阻率圖,整體視電阻率值大于22 Ω·m,且無大的視電阻率突變區(qū),表明探測范圍內(nèi)富水性較弱,無明顯的構造區(qū)域。

3.3 巷孔直流電法探測(巷道激發(fā)-孔內(nèi)接收)

利用布置在巷道與物探鉆孔中的電法測線進行聯(lián)合反演,可獲得物探鉆孔與巷道之前的視電阻率分布圖。圖14所示為物探孔孔內(nèi)前方76.3 m位置處超前探測視電阻率圖,探測距離為125 m,整體視電阻率值大于20 Ω·m,且無大的視電阻率突變區(qū),表明探測范圍內(nèi)富水性較弱,無明顯的構造區(qū)域。

圖13 物探孔孔中電法超前探測結果圖Fig.13 Results by advanced electrical detection in geophysical boreholes

圖14 孔巷電法反演探測結果圖Fig.14 Inversion detection results of borehole-roadway electrical method

3.4 孔中電視

利用鉆孔可視儀對該物探孔進行攝錄,觀察鉆孔巖性及結構完整性,按每次0.5 m推移并打點記錄,對攝錄結果反映出的鉆孔圍巖的完整性劃分為完整、較完整、較破碎、破碎4個等級。鉆孔可視儀推進至11 m位置時鏡頭被煤灰擋住,已分辨不清楚。

圖15為孔中電視圖像及巖體完整性劃分?？字袛z錄段均為全煤,孔口至6 m段煤層較完整,到7～11 m段煤層較破碎。

3.5 巷孔瞬變電磁探測(巷道激發(fā)-孔內(nèi)接收)

提取巷孔變電磁各徑向分量的多測道感應電壓,獲得各徑向分量的視電阻率剖面圖,如圖16所示,橫坐標為進尺(m),縱坐標表示各分量對應的探測深度(m)。

從各徑向分量的視電阻率剖面成果圖看出,鉆孔周邊淺部0～17 m范圍內(nèi)整體視電阻率較高,等值線變化趨勢平緩,未反映出顯著異常變化特征,在各徑向分量深部17～30 m范圍等值線變化異常位置基本一致,未發(fā)現(xiàn)明顯異常區(qū)。

圖15 孔中電視圖像及巖體完整性劃分Fig.15 TV image in boreholes and division of rock integrity

圖16 巷孔瞬變電磁各徑向分量視電阻率剖面Fig.16 Apparent resistivity profile of radial components by transient electromagnetic method in boreholes

4 巷道與鉆孔物探聯(lián)合對比分析

當日迎頭位置位于15303進風巷N3125點前75 m,巷道左側為80117工作面采空區(qū),針對巷道迎頭前方及巷道左側開展巷道震電磁綜合超前探測工作,并在迎頭后方N3125點前27 m處施工鉆孔,在鉆探工作基礎上,加入電法和瞬變電磁等方法,進行巷道與鉆孔聯(lián)合探測,從而獲取巷道左側及迎頭前方更為精確可靠的地質(zhì)異常情況。

巷道綜合超前探測主要包括迎頭前方的電法、地震超前探測以及巷道左側的瞬變電磁、地震反射共偏移探測。電法超前探測有效距離110 m,地震超前探測有效距離130 m。從探測成果可以看出,在探測區(qū)域內(nèi)整體視電阻率值較高,無明顯的波阻抗反射界面,表明在迎頭前方探測范圍內(nèi)煤體完整,整體富水性弱,無不良構造區(qū)。另外，采用瞬變電磁和地震反射共偏移對巷道左側采空區(qū)進行了探測,在瞬變電磁探測水平方向和頂板15°方向存在低阻異常區(qū)YC1,分析為受80117工作面采空區(qū)積水影響所致,該區(qū)域富水,在地震反射共偏移探測成果圖中(相對坐標X=42～59 m,Y=27～36 m)存在一組強反射界面,分析為受80117采空區(qū)巷道影響所致。

隨后在巷道迎頭后方施工了近水平的物探超前鉆孔,孔深75 m,在鉆孔施工范圍內(nèi)煤體完整,無其他不良地質(zhì)構造,該鉆孔不僅為后續(xù)的孔中綜合物探提供了作業(yè)場所,也對之前進行的巷道綜合超前探測進行了驗證。

在鉆進過程中進行了隨鉆地震探測,根據(jù)鉆進前方破巖的能量異常區(qū),判斷鉆進煤層中的軟弱帶、破碎帶或夾矸的響應頻率。本次鉆探全程均為煤層,鉆桿鉆進震動能量整體較為穩(wěn)定,對應12.2～12.5 m,58.2～58.4 m,67.8～68.4 m處能量異常區(qū)域為煤層中的裂隙帶或巖性變?nèi)鯀^(qū)域。

通過孔中和孔巷瞬變電磁探測對孔內(nèi)不同方向的視電阻率結果進行分析,瞬變電磁探管進孔48 m,孔巷瞬變電磁沿進孔方向的鉆孔徑向信號未反映出顯著異常變化特征,但在孔中瞬變電磁分量6方向存在一處相對低阻異常區(qū),等值線變化異常,位于鉆孔進尺28.5～31.0 m,探測方向19～26 m深度位置處,分析為可能受80117老空巷道影響所致。

通過在孔中和巷道側幫布置電法測線,分別獲得物探鉆孔前方47.5 m范圍和孔巷之間區(qū)域的電性分布圖,探測區(qū)域整體視電阻率值較高,且無大的視電阻率突變區(qū),表明探測范圍內(nèi)富水性較弱。

綜合巷道與鉆孔物探成果并結合地質(zhì)資料,巷道瞬變電磁法、巷道地震反射共偏移及孔中瞬變電磁探測在80117采空區(qū)位置有較明顯的響應,與實際資料基本吻合。

5 結論

本次項目實施地點在新景礦15303進風巷,開展了基于地震波法、直流電法、瞬變電磁法的巷道和孔中探測,并進行了隨鉆測震和孔內(nèi)電視等相關的工作。

1)通過開展現(xiàn)場探測試驗,包括巷道震電磁綜合超前探測、隨鉆測震、孔中電視、孔中電磁法,得出15303進風巷N3125點前75m迎頭前方探測范圍內(nèi)整體富水性弱,無不良構造區(qū)；另外針對巷道左側的采空區(qū),巷道瞬變電磁法得出在頂板15°方向、水平方向和底板15°方向存在低阻異常區(qū)YC1,分析為受80117采空區(qū)積水影響所致,該區(qū)域富水;地震反射共偏移法得出在相對坐標X=42～59 m,Y=27～36 m處存在一組強反射界面,分析為受80117采空區(qū)巷道影響所致;孔中瞬變電磁法在分量6方向得出一處相對低阻異常區(qū),等值線變化異常,位于鉆孔進尺28.5～31.0 m,探測方向19～26 m深度位置處,分析為受80117老空巷道影響所致,根據(jù)地質(zhì)資料探測得出的異常區(qū)位置與實際資料基本吻合。

2)通過對比現(xiàn)場探測可知,巷道探測具有宏觀大尺度優(yōu)勢,但分辨效果較差，尤其是巷道深部,無法獲取細節(jié)性特征;孔中探測具有小尺度微觀特點,能夠擴大探測深度,有效補充鉆孔徑向的探測能力,其實際效果與孔中激發(fā)的震源或場源的強弱、測量裝置、觀測系統(tǒng)、耦合方式及圍巖條件相關。針對不同的異常區(qū)及其物性特點,選用合適的探測方法或進行多種方法的聯(lián)合探測,可取得較好的探測效果。因此開展巷道、鉆孔的聯(lián)合探測可以相互驗證,能夠做到統(tǒng)籌優(yōu)勢、互為補充,保障巷道安全掘進。

3)本項目采用巷道和鉆孔聯(lián)合探測技術,有效獲取多空間的多場數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理分析對照形成綜合解釋方法,能夠在充分利用巷道、鉆孔條件的基礎上獲得更為理想的探測結果和分辨效果,為礦井防治水工作提供保障,有效降低水害事故的發(fā)生,提升鉆孔的利用效率和可視性,降低鉆孔施工風險和成本,能夠產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益,具有較好的推廣應用價值。同時,在以后的應用研究中,應考慮減小孔中探測裝置的孔徑、提升功率、防水及抗壓等方面性能,以滿足復雜水文地質(zhì)條件下多類型鉆孔的適用性;應當進一步增強設備的測深及分辨能力,優(yōu)化方法及設備組合,使施工輕便化、高效化;應當開展其他礦區(qū)不同水文地質(zhì)類型條件下的樣本試驗,以及進行多地球物理場的綜合研究、融合分析,提升技術的實用性。