巷道前方水害超前探查方法應用

根據前面對礦井瞬變電磁法全空間電磁場分布特征、工作方法、測量裝置和井下人文設施產生的噪聲剔除技術以及瞬變電磁法時間－深度視電阻率曲線的換算技術研究，將地面瞬變電磁法勘探應用于井下，探查井下巷道前方的含水構造，與其他礦井物探方法相比，具有獨特的優點和良好的發展情景。下面簡要介紹礦井瞬變電磁法勘探的特點和在煤礦突水構造探查中的應用。1.水文鉆孔超前探測煤礦資源普查與勘探初期，在井田范圍內施工了許多勘探及水文觀測鉆孔，其中有許多鉆孔穿過了煤層頂板或底板的含水層。現在，有些鉆孔的準確位置及封孔資料很難收集，這給煤礦的安全生產及地下水資源的合理開發利用帶來了潛在的威脅。由地面已知地質資料可知，LD煤礦巷道掘進迎頭附近存在一個勘探鉆孔，該鉆孔在煤層底板下的灰巖中終止。但是鉆孔的孔斜及封孔資料不詳。如果該鉆孔封孔效果達不到要求，并且在煤層附近的具體位置不能準確確定，當與煤層底板下的含水層導通時，在巷道掘進及工作面回采的過程中，由于受采動的影響或直接對鉆孔的揭露，將會誘發涌水事故的發生，對煤礦的安全生產帶來較為嚴重的影響。在該鉆孔附近只有一條正在掘進的獨頭巷道，因此采用礦井瞬變電磁法超前探測技術在探測過程調整了發射、接收天線與巷道底板的夾角，完成了向巷道頂板、順層和巷道底板的探測任務；查明了巷道迎頭正前方110m以內、前方底板60m以上、頂板60m以下一個錐形體積范圍內地層介質的視電阻率變化情況。圖6－20為采用矩形成圖方法繪制的視電阻率等值線圖：圖中上面橫坐標為在巷道內相對于1號測點的相對距離（m），即先設計各測點的間距為5m；下面橫坐標為巷道內布置的測點標號，縱坐標為沿探測方向的探測距離（m）。實際上巷道迎頭斷面的寬度3～6m，標號為2～10的距離最大為6m，在數據采集過程中，巷道迎頭附近標號為1，2，10和11的4個測點位置已經利用工字鋼或金屬錨網支護好，而金屬體對礦井瞬變電磁法探測的數據會產生較大干擾。因此，這些測點的資料對探測結果的解釋又產生不利的影響，一般作為背景值進行處理。圖6－21為采用扇形成圖方法繪制的視電阻率等值線圖：將每個測點探測的數據按實際位置坐標繪在平面圖上，橫坐標為以巷道中點為中心點向兩側的實際寬度（m），縱坐標為相對于巷道迎頭的實際探測距離（m）。另外由于巷道迎頭斷面的寬度一般為3～6m，為了有效利用5～7號這3個測點的數據，將巷道的寬度按一定比例進行加寬。這樣可準確計算出圖中任意一點到巷道迎頭的具體距離。在巷道迎頭正前方55m，左側30m有一個圓形的異常區域，在視電阻率值為7Ω·m的等值線內又顯示出一個更低的視電阻率值即6.3Ω·m對應等值線。該異常區解釋為鉆孔的反映，其位置與地面鉆孔的位置基本一致，說明該鉆孔的孔斜度較小。根據礦井瞬變電磁法在該礦區探測的經驗可知，當視電阻率值小于4Ω·m時，其富水性較強。因此，可判斷該鉆孔在煤層附近富水性較弱，沒有與深部的灰巖水直接導通，鉆孔封孔效果較好。但是由于受鉆孔對地層破壞的影響，周圍地層的視電阻率值呈低阻反映，隨著到鉆孔距離的增大，地層的視電阻率值逐漸穩定。該結果在煤層回采過程中被驗證，鉆孔的實際揭露位置位于當時探測迎頭正前方53～54m，左側31～32m范圍內，鉆孔中心點位置與探測成果圖中的中心點位置誤差不到2m。圖6－20 超前探測視電阻率斷面圖圖6－21 超前探測視電阻率扇形等值線圖2.斷層含水性超前探測某煤礦76線北部皮帶巷掘進至1201＋6m時，根據地質資料，落差100m的崔家莊3JHJ斷層位于掘進工作面前方60～100m，具體位置不詳。出于安全起見，需查明1201＋6m迎頭前方崔家莊3JHJ斷層的導含水性以及與深部奧灰的水力聯系。基于此，在掌子面與左右兩幫布置測點14個（圖6－22），采用多匝重疊小回線裝置形式分別進行了底板與順層方向的探測（圖6－23）。圖6－22 測點布置示意圖圖6－23 探測方向示意圖圖6－24為瞬變電磁超前探測視電阻率等值線圖，圖中左側標注為探測方向上超前探測距離（m），下端標注為測點號。根據地質資料，巷道頂板為砂巖，電阻率大于100Ω·m，巷道底板距奧灰頂界面大于100m，即本次超前探測有效距離內層理方向上不存在相對低阻層。根據前面章節中數值模擬，本次超前探測結果主要反映激發方向上的電性變化。底板方向超前探測視電阻率等值線圖上（圖6－24（a）），超前探測方向上60～110m巷道迎頭正前方視電阻率≤3Ω·m，低于其他區域的視電阻率值，呈相對低阻；順層方向超前探測視電阻率等值線圖上（圖6－24（b）），超前探測方向上50～110m，3～8號測點視電阻率≤3Ω·m，呈相對低阻。對比分析圖6－24（a）和圖6－24（b）可知，圖6－24（a）中的低阻異常范圍比圖6－24（b）中的低阻異常范圍小。據此可以推測巷道迎頭前方60m處存在低阻異常體，如果崔莊3JHJ斷層恰經過此位置，僅能說明斷層在該位置處局部富水或充填有低阻泥質體，與深部奧灰不存在水力聯系。如果該斷層存在與深部奧灰水相聯系的導水通道，圖6－24（a）中的低阻范圍應比圖6－24（b）中的低阻范圍大。打鉆驗證過程中，鉆進70m時僅見泥質充填物，無水涌出，證實瞬變電磁超前探測結果可靠。3.陷落柱超前探測陷落柱是煤層下伏可溶性巖石遭地下水溶蝕后引起上覆巖層冒落而形成的古巖溶塌陷體，在我國華北型煤田廣泛發育。當工作面或巷道直接揭露或接近與含水層、強徑流帶存在水力聯系的陷落柱時，極易造成突水淹井事故，對煤礦安全生產構成極大威脅。徐州某煤礦1050軌道下山掘進過程中迎頭巖性發生變化，出現破碎巖體膠結物，夾有煤塊，巖體層理整體表現雜亂無序，結合已有地質資料與揭露情況，礦方斷定為陷落柱。為排除采動過程中該陷落柱突水的可能性，需查明其是否與富水體存在水力聯系以及本身的含水性。探測時，采用了扇面掃描的數據采集方式，即在迎頭按圖6－25布置測點，分別進行頂板、順層與底板方向的探測。圖6－24 視電阻率等值線圖（a）底板方向；（b）順層方向圖6－25 扇面掃描示意圖根據超前探測時掃描線的掃描角度，以迎頭中心為坐標零點繪制成扇形視電阻率等值線圖，零點左側橫向坐標值代表對迎頭左前方的超前探測距離，零點右側橫向坐標值代表對迎頭右前方的超前探測距離，縱向代表對迎頭正前方的超前探測距離。圖6－26為頂板方向超前探測視電阻率等值線剖面圖。探測方向與水平面呈45°，指向巷道頂板，主要反映掘進頭前方頂板橫向上20～75m與縱向上20～75m體積范圍內巖層電性情況。由圖可知，掃描區內視電阻率值≥12Ω·m，無低阻異常反映。這一結果表明上述掘進頭前方頂板探測體積范圍內巖體富水性弱。圖6－26 頂板方向超前探測視電阻率等值線圖圖6－27為順層方向超前探測視電阻率等值線剖面圖。探測方向與水平面平行，主要反映掘進頭正前方巖層電性情況。由圖易知，掃描區內視電阻率值7～24Ω·m，掘進頭左前方與掘進頭右前方視電阻率值較低（7～8Ω·m），掘進頭正前方視電阻率值較高（>12Ω·m）。掘進頭左前方、右前方的低值區域推測是由巷道中U型鋼支護造成。總體分析，水平方向上探測范圍內掘進頭前方未見明顯低阻異常反映。圖6－27 順層方向超前探測視電阻率等值線圖圖6－28為底板方向超前探測視電阻率等值線剖面圖。探測方向與水平面呈45°，指向巷道底板，主要反映掘進頭前方底板橫向上20～75m與縱向上20～75m體積范圍內巖層電性情況。該圖上，掃描區內視電阻率值6～24Ω·m，掘進頭左前方與掘進頭右前方視電阻率值較低（6～8Ω·m），掘進頭正前方視電阻率值較高（≥12Ω·m）。掘進頭左前方、右前方的低值區域推測與順層探測該區域低值原因一致，均由巷道中“U”型鋼支護造成。總體分析，掘進頭前方頂板探測體積范圍內未見明顯低阻異常反映。圖6－28 底板方向超前探測視電阻率等值線圖綜合以上分析推斷該陷落柱不含水且與其他富水體不存在水力聯系，該結論在巷道掘進過程中得到了驗證。4.老窯積水區超前探測某礦2號總回風巷在掘進過程中，掘進頭1與掘進頭2還有150m將貫通。據地質資料，在同一水平上，該150m待掘巷道一側可能存在歷史小煤窯遺留下來的廢棄巷道（圖6－29），其具體位置與積水性不明。為排除透水隱患，保證安全掘進，需查明掘進頭前方是否存在老窯積水。圖6－29 采掘工程平面圖使用澳大利亞生產的Terratem儀器，多匝重疊小回線裝置形式，線圈邊長2m，發射電流3～4A，關斷時間約1.5ms，64次疊加，掘進頭1按圖6－30（a）所示布置測點11個，掘進頭2按圖6－30（b）所示布置測點10個，進行順層方向的探測。圖6－31為兩掘進頭順層超前探測視電阻率剖面圖，橫坐標為測點號，縱坐標為從掘進頭始的超前探測距離（m）。多匝重疊小回線裝置形式發射電流關斷時間過長，造成早期數據嚴重畸變，致使約20m的近距離信息無法分辨。由于巷道為工字鋼與金屬錨網支護，故圖6－30（a）中側幫1～4號測點與10～11號測點視電阻率值較低，約4～8Ω·m。掘進頭正前方未受到工字鋼與錨網影響，故視電阻率值較高，為20～50Ω·m。迎頭正前方（7號測點處）在超前探測距離上80～110m范圍內，視電阻率值降低，出現不均勻變化，表明該范圍內巖層電性發生變化。結合地質資料，推測該范圍為老窯積水區。礦方在掘進頭1繼續向前掘進70m時順煤層打鉆，終孔距離40m，鉆孔涌水74m3，證明該范圍確為老窯積水區，瞬變電磁超前探測結果得到驗證。圖6－30 測點布置示意圖（a）掘進頭1；（b）掘進頭2圖6－31 視電阻率等值線剖面圖（a）掘進頭1；（b）掘進頭2
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。