淺談巷道掘進超前探測技術(shù)的應(yīng)用

張 軍

(大同煤礦集團安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 原平 034100)

0 引言

礦井水害是煤礦最為需要預(yù)防的井下地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴重制約煤礦正常安全生產(chǎn)秩序[1]。我國大部分煤礦仍以井工開采為主，并且開采規(guī)模和深度日益加大，作業(yè)環(huán)境也日益復(fù)雜，井下發(fā)生突水、淹井、透水事故發(fā)生幾率更加頻繁，同時危害也十分嚴重，僅2017年為例，全國共有4起造成人事死亡的井下透水事故，分別為湖北省襄陽市保康縣某磷礦、河南省三門峽市峽州某鋁礦、山西省太原市清徐縣某煤礦及甘肅省白銀市平川區(qū)某煤礦，死亡人數(shù)18人。如何通過礦井突水預(yù)測和預(yù)報技術(shù)有效對井下作業(yè)提供指導(dǎo)對煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。因此，為避免井下突水、透水事故的發(fā)生，地球物理工作者根據(jù)井下地質(zhì)水文情況針對井下作業(yè)環(huán)境及時、有效、精確的做出地球物理預(yù)測、預(yù)報技術(shù)。這就對相關(guān)工作人員在礦井地質(zhì)水文理論、水害預(yù)測技術(shù)以及水害防治與控制技術(shù)等方面的研究十分迫切，十分具有經(jīng)濟與社會價值。

1 突水形成

礦井突水事故發(fā)生受礦井地質(zhì)環(huán)境和采動變化影響，通常水源為煤層中下覆層承壓水或者已采工作面采空區(qū)積水，隔水層、防水煤柱破壞后，導(dǎo)水通道形成后水源進入工作面造成涌水量增加進而發(fā)展成為水害，進入方式受隔水層破壞形式影響，發(fā)生形式分為突發(fā)、緩發(fā)和滯發(fā)3類。井下突水的形成通常與礦井地質(zhì)環(huán)境和水文情況有關(guān)，如地質(zhì)構(gòu)造、礦壓、水壓、含水層隔水層厚度。大同煤田地區(qū)的煤系底層基底基本為太原組灰?guī)r或奧陶系灰?guī)r，該類環(huán)境內(nèi)含水層的特點為富水性強、水壓大、隔水層薄，同時區(qū)域內(nèi)易發(fā)育有陷落柱。通常情況下灰?guī)r水通過裂隙帶和巖溶陷落柱作為通道自煤層底板涌入礦井。礦井突水、透水事故發(fā)生造成生命和財產(chǎn)損失十分嚴重，同時一旦發(fā)生影響范圍大并且不易控制，嚴重影響礦井的正常生產(chǎn)秩序，即使恢復(fù)生產(chǎn)也會埋下許多不易察覺的生產(chǎn)隱患。目前主要的井下突水預(yù)測技術(shù)為礦井瞬變電磁法和礦井直流電阻率成像技術(shù)[2-4]。

2 物探方法簡介

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法通過不接地回線或接地線源形成電磁脈沖，將電磁脈沖導(dǎo)入地下形成脈沖磁場，脈沖沖磁場衰減周期內(nèi)存在二次渦流場，可通過線圈或接地線源進行觀測[5-6]。電磁脈沖的形成是通過不接地回線或接地線源等發(fā)射線圈形成波狀電流，發(fā)射后就會在介質(zhì)空間內(nèi)構(gòu)成磁場，而地下的導(dǎo)電巖礦體會在自身產(chǎn)生感應(yīng)電流，脈沖停止后，巖體中的感應(yīng)電流開始伴隨熱損耗進行衰減，根據(jù)衰減特征將衰減階段劃分為早期、中期和晚期。可通過測量出的磁場內(nèi)巖體感應(yīng)電流衰減規(guī)律判斷不同深度的地電特征。如在井下工作面進行超前探測，工作面內(nèi)需要設(shè)置電磁發(fā)射線框和接收裝置，發(fā)射線框向不同巖層傳播電磁信號形成渦流場，斷電后形成二次場內(nèi)的感應(yīng)電位由接收裝置觀測，通過感應(yīng)電位變化狀況判斷被測巖層內(nèi)電性變化情況。

瞬變電磁法在進行超前探測過程中，測量范圍約為100 m，受一次場和關(guān)斷時間影響會在中淺部出現(xiàn)約20 m的探測盲區(qū)，為此根據(jù)探測結(jié)果掘進推進距離每次不宜超過80 m。在實際施工過程中為了保證施工作業(yè)與物探作業(yè)協(xié)調(diào)一致，根據(jù)瞬變電磁法探測結(jié)果進行的作業(yè)會預(yù)留30 m的安全作業(yè)距離，即巷道掘進或井下探水鉆孔作業(yè)通常施工探明巖體的70 m距離。

電磁探測法探測過程測點一般位于巷道迎頭，為了探測結(jié)果更加全面，測量需要對迎頭不同角度進行數(shù)據(jù)測試。作業(yè)時發(fā)射及接收天線自巷道迎頭左側(cè)開始，并且兩天線法線與左側(cè)面垂直，測試角度自30°向90°旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)15°進行一次測試，轉(zhuǎn)向至垂直于巷道迎頭面時并按照迎頭斷面寬度設(shè)置2～3個測點；隨后自巷道右側(cè)進行測試，測試過程由天線法線與側(cè)面垂直角度開始，由90°旋轉(zhuǎn)至30°進行測試，每轉(zhuǎn)15°進行一次測試。

瞬變電磁勘探的目的是探測掘進巷道迎頭方面及底板60 m范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，在對底板進行的探測應(yīng)適當進行加密探測。同時由于瞬變電磁法特有體積效應(yīng)，能對相對被探測方向30°內(nèi)的錐形面內(nèi)低阻信息進行收集。

為了得到掘進頭前方巖體的實測剖面結(jié)構(gòu)，需要測試過程中通過移動發(fā)射、接收線圈進行多處測試，通過調(diào)整各個發(fā)射點的天線法線與巷道底板間夾角改變測量位置，通常包含巷道迎頭前方頂板30°、水平、底部30°、60°這4個方向。

2.2 直流電法

直流電法通過單極-偶極電阻率法進行超前探測，將被測空間假設(shè)為一均勻介質(zhì)，空間有供電電極A及與其相隔無窮遠處的供電電極B，兩者最終在空間形成球型的等電位面，檢測2個不同被測電極M、N之間的電位差，該差值為巖體的綜合電性響應(yīng)[7-8]。被測空間的異常體由于與周圍環(huán)境介質(zhì)不同，導(dǎo)電性能不同，異常體規(guī)模較大并且測量位置得當，測量過程中異常體與周圍介質(zhì)邊界就會形成明顯電位差異，通過檢測設(shè)備及相關(guān)計算能夠發(fā)現(xiàn)明顯的電位邊界異常。不過直流電法受到自身方法和作業(yè)空間環(huán)境影響，也具有一定的局限性。

各巖、煤巷道及采空區(qū)為不導(dǎo)電空間，導(dǎo)致使用礦井電阻率法測量的全空間穩(wěn)恒電流場分布規(guī)律復(fù)雜，礦井電阻率法處理和解析數(shù)據(jù)過程中需要通過考慮井巷分布空間結(jié)構(gòu)和電流場空間分布趨勢，從而數(shù)據(jù)不易處理。

該方法進行數(shù)據(jù)采集過程受到作業(yè)空間影響，作業(yè)過程中只能進行巷道單一方向進行，尤其進行巷道超前探測時局限性更為明顯，無法將數(shù)據(jù)構(gòu)成三維數(shù)據(jù)體。

該方法缺點在于操作工作量大，相對效率低下，作業(yè)過程會影響作業(yè)范圍內(nèi)的正常生產(chǎn)活動。

3 應(yīng)用實例

以同煤集團下屬某礦井為例，以瞬變電磁法、直流電法同時進行探查作業(yè)，并對2種方法得出的數(shù)據(jù)進行分析。在某礦井北翼皮帶巷在巷道掘進過程中，以北翼4點+65 m為基點對該巷道迎頭正前方及頂、底板處地質(zhì)情況進行探測。

根據(jù)相關(guān)探測原則，探測過程自巷道正中心對巷道迎頭進行各個角度的探測，探測自迎頭左側(cè)135°自垂直迎頭方向，再從垂直迎頭方向轉(zhuǎn)向迎頭右側(cè)45°位置，并且各測點在測試過程中分別沿頂板與水平30°、水平順層方向、底板與水平30°夾角3個方向各自測量數(shù)據(jù)，進行到巷道迎頭正中心位置時，測量角度可增至+45°和-45°位置，最終根據(jù)數(shù)據(jù)繪制縱剖面。瞬變電磁法進行探測于迎頭順層位置發(fā)現(xiàn)大約60～84 m處出現(xiàn)視電阻率偏低，頂板30°處探測結(jié)果顯示迎頭約62～85 m處視電阻率偏低。

使用“三點源法”進行該巷道的直流電法探測，供電極設(shè)置在距離巷道迎頭后14 m處，3個供電極A1、A2、A3應(yīng)間隔布置，每4 m設(shè)置一個電極。測試電極M、N電極設(shè)置在巷道后方并以4 m為間隔進行移動測量，無窮遠電極B應(yīng)與巷道迎頭位置相距300 m以上。根據(jù)“三點源法”測試結(jié)果顯示巷道迎頭前方64～78 m視電阻率偏低。

圖1 綜合物探結(jié)果與實際鉆探結(jié)果對比圖

圖1為綜合物探結(jié)果與實際鉆探結(jié)果對比圖。由瞬變電磁法和直流電法測量顯示結(jié)果，匯總數(shù)據(jù)得出大約距離巷道迎頭60～84 m的順層及頂板位置為相對富水異常區(qū)，數(shù)據(jù)重合位置相對富水性區(qū)域幾率較大，結(jié)合該礦區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)資料可以推斷2#煤層頂板K2砂巖存在裂縫富水。北翼皮帶巷北翼4點+65 m實際掘進到62～76 m K2巖層位置開始出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量約為20 m3/h，與綜合物探后數(shù)據(jù)預(yù)測位置基本一致。

4 結(jié)語

通過結(jié)合瞬變電磁法和直流電法進行綜合物探，對礦井井下作業(yè)進行超前預(yù)測，為井下水害防治工作提供了有力的技術(shù)支持。通過對比實際掘進與探測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，探測結(jié)果精度較高，投入少、效率高，更加有效的預(yù)測礦井水文地質(zhì)狀況。同時可以通過鉆探驗證預(yù)測結(jié)果，最大程度降低礦井水害發(fā)生幾率，確保礦井正常的安全生產(chǎn)秩序。