綜合物探方法在煤巷導(dǎo)水裂隙超前探測中的應(yīng)用

郭建磊

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的大多數(shù)煤炭礦井已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)的中后期，在煤礦資源開發(fā)中面臨著巷道掘進(jìn)中諸如地下水、裂隙、構(gòu)造破碎帶和陷落柱等復(fù)雜工作環(huán)境和技術(shù)問題，如果在巷道前方及附近存在溶洞、斷層等不良地質(zhì)體，不提前進(jìn)行排水、注漿等防治措施，就有可能造成塌方、淹井等災(zāi)難性事件，尤其是煤巷前方的導(dǎo)水裂隙，因其體積小、不易引起物探異常而探測困難[1-2]。

井下物探是巷道超前探水的重要技術(shù)和應(yīng)用手段，通過物探技術(shù)對巷道前方及其附近異常體進(jìn)行圈定，指導(dǎo)鉆探施工，為煤礦防治水提供重要依據(jù)。長期以來，煤礦地質(zhì)和物探工作者進(jìn)行了大量的理論和實(shí)際探測研究，對多種物探技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用[3-10]，礦井物探技術(shù)得到了明顯提高。但是每種物探方法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用條件，并且單一物探方法的多解性問題給解釋工作帶來了很大的干擾，因此采用綜合物探可以有效地消除單一物探方法多解性的影響，有利于提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證巷道的安全掘進(jìn)[11-13]。筆者基于井工三礦39201巷道和小回溝礦2201巷道超前探測，研究了井下綜合物探方法在巷道導(dǎo)水裂隙超前探測中的應(yīng)用效果。

1 井下超前探測技術(shù)

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁超前探測一般采用多匝小線圈在巷道前方發(fā)射一次場，一次場間歇期間利用接收探頭觀測二次場，分析二次場規(guī)律從而探測地下情況。與地面瞬變電磁法不同，礦井瞬變電磁法呈全空間分布，在線圈兩側(cè)都會產(chǎn)生“煙圈效應(yīng)”，所得響應(yīng)為如圖1所示的全空間響應(yīng)。根據(jù)“煙圈效應(yīng)”理論，早期瞬變電磁場主要反映距離發(fā)射線圈較近的巷道圍巖情況，晚期瞬變電磁場主要反映距離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)的地質(zhì)情況[14]。

圖1 井下全空間瞬變電磁場的傳播Fig.1 Propagation of transient electromagnetic fields in the whole space

礦井瞬變電磁法測點(diǎn)布置在巷道迎頭空間位置(圖2(d))，從巷道迎頭左側(cè)開始，按一定角度旋轉(zhuǎn)線圈探測至右側(cè)，形成多角度數(shù)據(jù)采集，獲得盡可能完整的前方空間信息；調(diào)整線圈法線與巷道底板夾角的角度，探測巷道頂板、底板方向的圍巖情況(圖2(a)～圖2(c))。

圖2 礦井瞬變電磁法施工布置圖Fig.2 Mine transient electromagnetic method construction layout(a)探測巷道底板;(b)探測巷道迎頭;(c)探測巷道頂板;(d)探測角度

1.2 礦井直流電法

礦井直流電法屬于全空間電法勘探技術(shù)，研究掘進(jìn)掌子面前方地層變化規(guī)律、預(yù)測前方含導(dǎo)水構(gòu)造的分布情況。直流電法超前探測采用三級探測裝置，根據(jù)點(diǎn)電源場理論，點(diǎn)電源在均勻全空間的電力線呈射線發(fā)射，等電位面是以供電點(diǎn)為球心的球面。在均勻介質(zhì)中，當(dāng)A點(diǎn)供電時，測量電極M、N產(chǎn)生的信號是由供電點(diǎn)前后左右上下等各方向的體積，顯然迎頭前方的異常信息也可以反映到M-N處。如圖3所示，迎頭前方某位置的異常會使測量電位差曲線產(chǎn)生畸變，即M-N所在的球殼發(fā)生變形。根據(jù)等值性原理，在掘進(jìn)巷道內(nèi)的測量點(diǎn)上也可以觀測到這種變化，所不同的是幅度可能會降低[15]。

圖3 直流電法超前勘探原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of lead exploration by DC method

圖4 瑞利波超前探測施工布置圖Fig.4 Rayleigh wave advanced detection construction layout

1.3 瑞利波法

瑞利波法利用彈性波的頻散特性進(jìn)行超前探測，使用人工震源在巷道掌子面激發(fā)寬頻譜的瑞利波、同時在掌子面布設(shè)檢波器對寬頻普的瑞利波信息進(jìn)行接收，瑞利波超前探測信號采集方式見圖4。對所采集信號取以排列中心對稱的任意兩道，進(jìn)行快速傅里葉變換和頻譜分析，通過相干函數(shù)的互功率譜相位展開譜，利用多次覆蓋、多次疊加技術(shù)得到瑞利波信號在不同頻率f的平均速度VR。根據(jù)彈性波理論的半波理論可知，探測深度為H=VR/2f，從而得到H-VR頻散曲線，利用小波分析法對瑞利波頻散曲線做出奇異性顯示方式，使巖性介面分層頻散突變點(diǎn)在探測深度曲線上直觀的顯示出來，便于對物探異常做出推斷解釋[16]。

瑞利波法的探測精度與深度主要取決于道間距大小、偏移距大小、儀器參數(shù)設(shè)置、錘擊次數(shù)、測線布置方式、工作環(huán)境等綜合因素[17]。

圖5 39201主運(yùn)巷道礦井瞬變電磁法超前探測Fig.5 39201 main roadway mine transient electromagnetic method advanced detection(a)仰角45°探測;(b)順層方向探測;(c)俯角45°探測

圖6 39201主運(yùn)巷道礦井直流電法超前探測Fig.6 39201 Leading roadway mine DC method for advanced detection

圖7 2201輔運(yùn)巷道礦井瞬變電磁法超前探測Fig.7 2201 auxiliary transport roadway mine transient electromagnetic method advanced detection(a)仰角45°探測;(b)順層方向探測;(c)俯角45°探測

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 井工三礦39201主運(yùn)巷道超前探測

39201主運(yùn)巷道位于井工三礦2采區(qū)9煤，本區(qū)對應(yīng)地表為黃土丘陵，大部分被森林覆蓋，溝谷發(fā)育。39201工作面的充水含水層為頂板上部T3、T4砂巖含水層，隔水層巖性多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，含沙量高，隔水性差，各砂巖層組之間水力連通性較好。工作面受褶曲構(gòu)造影響，煤層傾角變化較大，煤巖層節(jié)理發(fā)育，局部頂板較破碎。受向斜影響該區(qū)域斷層可能比較發(fā)育；工作面中部及南部揭露6條斷距大于5 m斷層。東坡向斜在工作面中部穿過，受東坡向斜的影響，工作面發(fā)育有次級的褶曲構(gòu)造，對巷道掘進(jìn)影響較大。39201工作面由向斜構(gòu)造主控，向斜兩翼靠近核部部位斷層較為發(fā)育。

在39201主運(yùn)巷道進(jìn)行礦井瞬變電磁法和直流電法兩種超前物探方法(圖5、圖6)。從圖5、圖6中可以看出，礦井瞬變電磁探測順層方向1號異常位于迎頭正前方40 m～60 m，由于瞬變電磁體積效應(yīng)，探測異常范圍較大；直流電法探測的1號異常位于迎頭前方46 m～50 m。兩種物探方法探測異常位置剛好重合，根據(jù)地質(zhì)情況分析，推斷上述異常為煤巖層破碎、裂隙較為發(fā)育并相對富水所致，后續(xù)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆孔出現(xiàn)涌水情況，掘進(jìn)至迎頭前45 m處頂板開始出現(xiàn)淋水，淋水一直持續(xù)到探測迎頭前54 m處。綜合利用瞬變電磁法和直流電法超前探測可以對探測異常進(jìn)行相互佐證，準(zhǔn)確探測掘進(jìn)迎頭前方的異常區(qū)域。

2.2 2201輔運(yùn)巷道超前探測

2201輔運(yùn)巷道位于小回溝礦2采區(qū)北翼中部，地面對應(yīng)位置地形為典型的黃土高原地貌，山巒疊嶂，溝壑縱橫。2201工作面的直接含水層為下石盒子組下部K4砂巖含水層和山西組砂巖裂隙含水層，間接充水含水層為奧陶系巖溶裂隙含水層，含水層多為細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)條帶，具有少量的張性裂隙。煤層整體呈北南高、中部低，工作面掘進(jìn)受斷層、陷落柱等影響。

圖8 2201輔運(yùn)巷道瑞利波法超前探測Fig.8 2201 auxiliary transport roadway Rayleigh wave method advanced detection

在2201輔運(yùn)巷道進(jìn)行礦井瞬變電磁法和瑞利波法兩種超前物探方法(圖7、圖8)。從圖7、圖8中可以看出，瞬變電磁探測仰角45°方向1號異常位于迎頭左前方20 m～40 m，順層方向1號異常位于迎頭正前方20 m～40 m，由于瞬變電磁體積效應(yīng)，探測異常范圍較大；瑞利波法探測的1號、2號異常分別位于迎頭前方14 m～18 m和21 m～27 m。瞬變電磁法探測1號異常和瑞利波法探測2號異常位置剛好重合，根據(jù)地質(zhì)情況分析，推斷上述異常為斷層或陷落柱發(fā)育、裂隙較為發(fā)育并相對富水所導(dǎo)致，后續(xù)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆孔出現(xiàn)涌水情況，掘進(jìn)至迎頭前14 m處出現(xiàn)斷層，平均斷距為2 m，迎頭前25 m處煤層破碎，破碎段長度大致有5 m，頂板淋水。綜合利用礦井瞬變電磁法和瑞利波法超前探測，可以對探測異常進(jìn)行相互佐證，準(zhǔn)確探測掘進(jìn)迎頭前方的異常區(qū)域。

3 結(jié)論

1)每種方法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，礦井瞬變電磁法和直流電法以電性差異為物性前提，直流電法探測距離誤差較小，抗干擾能力較強(qiáng)，但是只反應(yīng)迎頭正前方的地質(zhì)情況；瞬變電磁法可以進(jìn)行多角度、多扇面探測，但體積效應(yīng)影響顯著，抗干擾能力差，受環(huán)境影響嚴(yán)重；瑞利波法以彈性波理論為基礎(chǔ)，對掘進(jìn)前方的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行針對性探測，對構(gòu)造反映靈敏，但探測距離較短，無法判斷異常位置的含水性。

2)每種物探方法都有一定的應(yīng)用條件和環(huán)境，并且單一物探方法的多解性問題給解釋工作帶來了很大的干擾，因此根據(jù)探測目標(biāo)和探測環(huán)境選用多種井下物探方法，能夠有效地消除單一方法多解性的影響，對探測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，有利于提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)在水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦區(qū)，選用多種物探方法進(jìn)行綜合探測是礦井超前探測未來發(fā)展的趨勢，綜合物探方法探測可以對探測結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，提高工作效率，為煤礦巷道安全掘進(jìn)保駕護(hù)航。