瞬變電磁法對工作面底板注漿工程的穩(wěn)定性評判＊

許云磊 劉志新，2 王東偉 武俊文

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

瞬變電磁法對工作面底板注漿工程的穩(wěn)定性評判＊

許云磊1劉志新1，2王東偉1武俊文1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

為探查煤層底板含水層注漿加固后的情況，預(yù)防煤層底板突水事件的發(fā)生，基于礦井瞬變電磁法的地球物理學(xué)特征，根據(jù)巷道的探查環(huán)境，選擇礦井瞬變電磁法對煤層底板進(jìn)行探測，介紹了井下視電阻率的計(jì)算公式和工作裝置，給出了探測圖形顯示結(jié)果。結(jié)合后期的鉆孔資料表明，探查結(jié)果與實(shí)際鉆孔情況基本吻合。

含水層 注漿堵水 礦井瞬變電磁法 視電阻率

1 引言

工作面底板水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，由于大型綜采設(shè)備在工作面回采過程中會(huì)造成底板破壞，通過導(dǎo)水?dāng)鄬印⒘严丁⑾萋渲鹊刭|(zhì)構(gòu)造，造成局部出水或大面積突水，因此準(zhǔn)確有效地預(yù)測預(yù)報(bào)工作面底板賦水異常區(qū)域顯得尤為重要。目前我國煤礦底板突水類型大致分3種：掘進(jìn)溝通（斷層、陷落柱）型，又分掘進(jìn)溝通斷層型突水和掘進(jìn)溝通陷落柱型突水；回采影響斷層型突水；回采底板破壞型突水，又分裂隙通道型突水和陷落柱型突水。針對這3種底板突水情況，相對應(yīng)解決的措施有兩類，一類是增強(qiáng)隔水層阻隔高壓水的能力，另一類是減少高壓水對上覆巖層的破壞。通常煤礦采用第一類措施，對隔水層進(jìn)行有效的加固。即對已經(jīng)查明有可能發(fā)生突水事故的含水構(gòu)造或巷道工程，進(jìn)行注漿封堵和注漿截流。礦井瞬變電磁法憑借其體積效應(yīng)小，指向性強(qiáng)，效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤礦工作面底板賦水情況的預(yù)測預(yù)報(bào)。本文通過礦井瞬變電磁法對注漿改造工程后的工作面底板進(jìn)行探查，評價(jià)底板的穩(wěn)定性，為工作面安全回采提供幫助。

2 瞬變電磁法探測煤層底板的地球物理學(xué)特征

煤系地層一般是層狀分布，電性分布橫向上相對均一。在瞬變電磁法中，電阻率是表征煤以及圍巖性質(zhì)的重要物理參數(shù)，圍巖和煤的電阻率變化是根據(jù)它們的成分、結(jié)構(gòu)、所含水分等因素，隨著影響因素的改變而在較大范圍內(nèi)變化。

其實(shí)煤系地層中所含水的導(dǎo)電性直接影響著巖層電阻率。當(dāng)陷落柱或斷裂帶中充水時(shí)，由于水的導(dǎo)電性好，會(huì)在視電阻率剖面上呈現(xiàn)局部低阻的情況；當(dāng)發(fā)育構(gòu)造含水量較少甚至不含水時(shí)，導(dǎo)電性變得很差，局部的電阻率值會(huì)偏高。以巖石導(dǎo)電性差異的地球物理學(xué)特征為基礎(chǔ)，在縱向和橫向上的變化規(guī)律，能夠充分地為礦井瞬變電磁法探測提供良好的實(shí)際應(yīng)用條件。在注意電性差異的同時(shí)，采集實(shí)際資料過程中，應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)及水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合性分析，從而判定煤系地層的富水性。特別要注意在施工過程中，往往巷道中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的金屬干擾體，所以在收集數(shù)據(jù)的時(shí)候，同樣要做好施工記錄，為后期準(zhǔn)確進(jìn)行資料解釋提供依據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作面地質(zhì)條件

本文選取山西某礦作為研究對象。該礦地面為黃土地貌，無重要建筑物。該工作面所采5＃煤層為該礦主采煤層之一，位于石炭系太原組下部。從工作面掘進(jìn)情況來看，工作面煤層厚度約9.5～13.9m，平均11m。煤層厚度變化由西北向東南逐漸增厚。為了查明該礦51111工作面底板采動(dòng)影響范圍內(nèi)是否存在導(dǎo)含水構(gòu)造和隱伏的導(dǎo)含水通道，根據(jù)礦方要求，在51111工作面巷道內(nèi)進(jìn)行礦井瞬變電磁法探測工作，為工作面底板水害的治理工作和安全生產(chǎn)提供物探資料。

3.2 施工設(shè)計(jì)

結(jié)合礦方提供的實(shí)際地質(zhì)資料，在施工開始階段，首先對重點(diǎn)探測的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圈定。探測區(qū)域圈定完畢后，要對礦井瞬電電磁法中發(fā)射線框擺放的探測角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)礦方的要求，實(shí)際運(yùn)用瞬變電磁法對煤層底板進(jìn)行探測時(shí)，設(shè)計(jì)了發(fā)射線框探測方向示意圖，見圖1。

在設(shè)計(jì)探測裝置布置時(shí)要注意，將探測裝置布置在巷道靠近煤層工作面?zhèn)葞停ぷ髅骓數(shù)装鍖?dǎo)水、賦水巖層在一次場輻射的錐體范圍內(nèi)，煤層頂?shù)装搴惓ｓw將與之產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，煤層頂?shù)装遒x水巖層中的水體產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于附近圍巖，產(chǎn)生較高的感應(yīng)渦流場。當(dāng)發(fā)射線框以圖1（a）放置時(shí)，探測方向豎直指向煤層底板，即進(jìn)行巷道的底板探測；當(dāng)發(fā)射線框以圖1（b）放置時(shí)，探測方向傾斜指向?yàn)槊簩拥装澹催M(jìn)行工作面的底板探測。發(fā)射線框方向上的區(qū)別能夠在垂向距離上有效地分辨出地下異常。

圖1 探測方向示意圖

4 探測數(shù)據(jù)采集、處理與解釋

4.1 數(shù)據(jù)采集

該礦井下工作面巷道斷面積較小，為十幾平方米，地面的大線框在井下的小斷面受到限制，探測環(huán)境與地面差別很大，因此采用多匝重疊小回線裝置。沿著巷道布置測線，測點(diǎn)間距為10m。采用的儀器為Terra TEM瞬變電磁儀，發(fā)射和接收線框采用多匝2m×2m矩形回線。采樣時(shí)窗為1～34，疊加次數(shù)64，時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列。

4.2 數(shù)據(jù)處理

收集的數(shù)據(jù)采用礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)軟件進(jìn)行預(yù)處理。礦井瞬變電磁探測是在井下巷道內(nèi)進(jìn)行的，其瞬變電磁測量裝置探測的感應(yīng)電位為井下煤系地層導(dǎo)電性的綜合響應(yīng)。因此，礦井瞬變電磁視電阻率計(jì)算公式為：

式中：C——全空間響應(yīng)系數(shù)；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

S——接收回線線圈面積；

s——發(fā)射回線線圈面積；

N——接受線圈匝數(shù)；

n——發(fā)射線圈匝數(shù)；

t——二次場衰減時(shí)間；

V／I——接收的歸一化二次場電位場值。

本文只選取該礦工作面底板方向探測結(jié)果進(jìn)行介紹。在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，結(jié)合surfer軟件成圖，圖2即為工作面底板在注漿加固后的視電阻率等值線擬斷面圖，因?yàn)楣ぷ髅骈L度較長，所以分段截取成圖2（a）與圖2（b），兩圖橫坐標(biāo)是連續(xù)的，圖中橫坐標(biāo)為風(fēng)巷內(nèi)靠近工作面?zhèn)葞筒贾脺y點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)的間距為10m，縱坐標(biāo)為探測方向的距離，等值線數(shù)值為視電阻率值，單位為Ω·m。

圖2 工作面底板注漿后視電阻率等值線斷面圖

4.3 數(shù)據(jù)解釋

在視電阻率等值線斷面圖中，局部的視電阻率等值線數(shù)值愈低，對應(yīng)探測范圍內(nèi)賦水裂隙與深部水力聯(lián)系明顯，對工作面回采影響大。

分析圖2中視電阻率等值線變化規(guī)律可以看出：在探測方向距離（縱坐標(biāo)）小于80m左右（垂向距離煤層底板約70m左右），工作面底板大部分范圍視電阻率等值線沿巷道走向整體變化平緩，視電阻率值在1.5～10Ω·m范圍內(nèi)變化，無明顯低阻異常反映，說明底板對應(yīng)巖層電性橫向穩(wěn)定。在沿探測方向80m以外探測范圍內(nèi)存在3個(gè)主要的相對低阻區(qū)，即E、F和G異常區(qū)。

E異常區(qū)影響范圍為沿探測方向80m范圍外，由以往探測資料分析可知該范圍內(nèi)主要存在伏青灰?guī)r及附近砂巖巖層，這個(gè)異常區(qū)為伏青灰?guī)r局部裂隙相對發(fā)育，且被低阻介質(zhì)充填的反應(yīng)，其賦含水性較弱；F異常區(qū)位于巷道31～37號測點(diǎn)之間，該范圍內(nèi)圍巖視電阻率值相對較低，其值低于1.5 Ω·m，但其影響區(qū)域處于底板采動(dòng)破壞范圍之外；在G異常區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)低阻封閉圈，分析相對低阻異常區(qū)域的發(fā)育范圍和發(fā)育形狀，顯示沒有與深部灰?guī)r水直接導(dǎo)通的通道，視電阻率值隨著深度增加處于緩慢下降趨勢，其影響范圍為工作面底板以下80m范圍外，對未來工作面回采影響較小。

4.4 鉆孔驗(yàn)證

圖3為針對探測低阻區(qū)域設(shè)計(jì)的驗(yàn)證鉆孔斷面圖，在進(jìn)行礦井瞬變電磁法探測之后，對E異常區(qū)進(jìn)行鉆探，圖3中4＃鉆孔，鉆探結(jié)果與探測結(jié)果相吻合。注漿改造工程后，瞬變電磁法探測的結(jié)果顯示，E異常區(qū)的局部區(qū)域可能被低阻介質(zhì)充填，在橫向上電阻率值穩(wěn)定，鉆探鉆孔的出水量為零。這就表明對賦水區(qū)進(jìn)行注漿加固，注漿后底板巖層得到了較好的加固，改造效果顯著。

圖3 4號孔實(shí)測剖面圖

5 小結(jié)

實(shí)踐證明，礦井瞬變電磁法能夠較為直觀地顯示工作面底板的電性分布，為工作面回采過程中的底板水害防治提供真實(shí)可靠的資料；通過后期的鉆孔資料驗(yàn)證，礦井瞬變電磁法可以作為一種有效的地質(zhì)保障技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)中。但同時(shí)還應(yīng)該注意兩個(gè)問題：

（1）在進(jìn)行煤層工作面底板探測，受到儀器關(guān)斷時(shí)間的影響，得到的視電阻率斷面都會(huì)存在20m左右的探測盲區(qū)，給探測方向上近距離地層的資料解釋帶來困難，需要在以后的研究中解決。

（2）礦井瞬變電磁法在煤礦水文探測及辨別其富水性強(qiáng)弱方面有很好的應(yīng)用效果，可以用于煤層工作面頂板與底板地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。同時(shí)要結(jié)合礦井瞬變電磁法在該礦區(qū)以往的水文探測數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，對異常區(qū)的富水性強(qiáng)弱做出綜合評價(jià)，這樣有利于異常構(gòu)造的識(shí)別。

[1] 車樹成，張榮偉.煤礦地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

[2] 牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2007

[3] 劉天放，李志聃.礦井地球物理勘探[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002

[4] 劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005

Judgment of transient electromagnetic techniques testing grouting effect of lower confining bed

Xu Yunlei1，Liu Zhixin1，2，Wang Dongwei1，Wu Junwen1
（1.School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，
X
u
zhou，Jiangsu 221116，China；2.National Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineer，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

To check the results of grouting reconstruction of coal floor，and to prevent the happening of the water－inrush condition，based on the earth physics features of mine transient electromagnetic method and the environment of exploration，the coal floor are detected by using mine transient electromagnetic method，the underground apparent resistivity calculation formula and work device are introduced，the detection graphic results are shown.Combined with the late borehole data，it shows the exploration results are basically consistent with the actual drilling results.

filling aquifer，grouting for water blocking，mine transient electromagnetic method，apparent resistivity

P631.2

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“巷（隧）道影響下全空間瞬變電磁法視電阻率與時(shí)間－深度理論轉(zhuǎn)換研究”，項(xiàng)目編號41004048

許云磊（1988－），男，江蘇徐州人，在讀研究生，主要從事礦井地球物理勘探和工程與環(huán)境地球物理勘探方面的學(xué)習(xí)與研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）