煤礦掘進過程中涌水源探測技術的應用和研究

張艷龍

摘要：本文在分析水文地質調查資料基礎上，采用瞬變電磁和地質雷達綜合物探手段對掘進工作面端頭進行全方位探測，初步判定了涌水源和導水通道，利用水化學分析資料進一步驗證了物探判定涌水水源的科學合理性，推測涌水源旅行距離，為下一步的注漿堵水和掘進工作提供了科學的水文地質資料。

關鍵詞：水文地質；水源；導水通道；水化學分析；瞬變電磁；地質雷達

1.工程概況及涌水情況

山西晉城市某礦開采3號煤毗鄰水庫，水庫底部標高為+690m，掘進大巷底部標高+640m。A1535工作面掘進至863m處時，在掘進工作面端頭施工第三個鉆孔時出現出水。經測算鉆孔涌水量50m³/h，涌水源不清，導水通道不明。涌水情況出現后掘進工作停止，為了進行水害的科學治理，確立了地質、物探、化探綜合探測體系。

2.瞬變電磁法探測

2.1基本原理和工程布置

由于大巷中空間狹小，為了便于操作，采用多匝重疊裝置。井巷瞬變電磁法為全空間探測，是一種綜合反映。其視電阻率計算公式為：

根據地質特點和水文特征，充水水源和導水通道都是理想的低阻介質，與周圍介質有明顯的電阻率差異和介電常數差異，采用全方位的探測方式，可以取得較好的效果。

2.2資料解釋成果

采用SUFER軟件根據資料處理和計算結果數據繪制扇形瞬變電磁物探成果圖，在成果圖的基礎上，結合水文地質資料和鉆探資料，依據瞬變電磁解釋原則對地質異常體電阻率差異閾值范圍劃分出地質異常和含水異常。

瞬變電磁水平方向切面視電阻率等值線水平方向探測切面，縱橫坐標都為探測距離，切面的中心方向為巷道的掘進方向，探測方位由正前方向左偏80°至向右偏80。方向探測，每間隔10°探測1次，共計探測19個方向。從圖1中可以看出，在探測的左40°～左50°方向，探測前方30m以內存在一低阻異常區，判定為含水裂隙帶，現大巷頂部靠左上部位置探孔出水推測就是該裂隙出水。

3.地質雷達探測

3.1基本原理和工程布置

地質雷達法是利用高頻至特高頻波段電磁波的反射進行無損探測的一種方法。因為該方法利用的電磁波頻率高，因此具有很高的分辨率（如圖2）。

為了查明掘進工作面端頭前方出水裂隙位置和發育情況，本次雷達工作不僅向掘進工作面端頭正前方探測，還在距離掘進工作面端頭后方6m處向頂板及側幫方向探測，便于確定裂隙延展情況（如圖3）。各測線布置如下：H1測線為掘進工作面端頭上方水平測線，測線方向從掘進大巷左壁向右壁布置；H2測線為掘進工作面端頭中下部水平測線；Z1測線為掘進工作面端頭左側垂直測線，測線方向由上向下；Z2測線為掘進工作面端頭中心垂直測線，測線方向由掘進大巷頂向下；Z3測線為掘進工作面端頭右側垂直測線。以上測線探測方向都是垂直掘進工作面端頭向掘進大巷正前方進行探測。L測線為順掘進方向布置。

3.2探測結果

圖4所示，在測線里程1m～1.2m處有暗紫色強充水區，深度和風鉆見水深度3m一致，而且深度2.5m～7m為綠色問夾有黃色條帶，反應此段地層為中～細砂巖而且向水庫方向小角度傾斜，并且表示層間有充水裂隙。而且測線長度從1.2m向下至1.9m有紅色區域，含水反應強一些。大巷掘進工作面端頭水來源于左前方45°砂巖層中張扭性裂隙，沿探測方向沿伸到30m。

4.水化學分析

為分析掘進工作面端頭鉆孔出水水源情況，分別采集大巷滲水水樣（編號1）、大巷掘進工作面端頭出水點（編號2）以及水庫（編號3）進行化驗。

對化驗結果進行舒卡列夫分類，大巷臨時水溝、K2+863掘進工作面端頭鉆孔出水、水庫的水質類型分別為SO₁Cl-Na（Ca）、SO₄-NaCa、HCO₃SO₄-Ca型水。根據piper三線圖上疊加結果，可知水庫水與掘進大巷滲水和K2+863掘水文地質、環境地質、工程地質2018年第五期進工作面端頭出水水質類型存在一定的差異。而掘進大巷滲水和掘進工作面端頭出水水質類型基本一致，兩者的差別主要在于離子濃度絕對值的差異，而毫克當量百分比較為相似。結合水文地質資料，推測主要出水來源為賦存于砂質泥巖、泥巖及砂巖的風化裂隙和構造裂隙中的基巖裂隙水，裂隙水受水庫水等地表水補給。該類型地下水受基巖裂隙控制，分布不連續，含水量小，儲水能力較弱，這與掘進大巷前期施工揭露情況較為吻合。

5.結語

通過實踐和研究，采用綜合探測技術在很大程度上提高了探測涌水源和導水通道的準確性，完善了水文地質資料，為水害的防治提供科學依據。并得出以下主要結論：

（1）采用綜合探測技術，準確查明了涌水源為賦存于砂質泥巖、泥巖及砂巖的風化裂隙和構造裂隙中的基巖裂隙水，受水庫水等地表水補給。

（2）水中的礦物質含量與水庫水已不相同，分析水庫水經由地層裂隙長距離長時間旅行后才到達涌水點位置，推斷水庫水未發生直接貫人現象。

（3）涌水通道位于掘進工作面端頭左前方45°方向，并沿著地層走向向前方延伸。在以后的掘進過程中需加強防范。

（4）已通過堵水工作進一步驗證了本次探測的準確性。

（5）綜合運用地質、物探、水化學分析等方法及多種物探技術手段相結合在一定程度上避免了單一物探方法的多解性，提高了探測的準確性，科學的完善了水文地質資料，為下一步的水害治理提供了科學依據。