礦井瞬變電磁法在水平定向井注漿技術效果監測中的應用

摘 要：【目的】查明趙莊礦1340工作面底板是否存在巖溶發育區，并研究礦井瞬變電磁法在水平定向井注漿技術效果監測中的應用效果。【方法】采用礦井瞬變電磁法進行工作面底板探測，發現2個視電阻率低阻異常區。針對底板灰巖賦水特性，在低阻異常區設計2個主孔，采用水平定向井注漿技術進行注漿加固，當主孔到達預定位置后再布置定向孔進行注漿。注漿后為監測注漿效果，采用礦井瞬變電磁法對低阻發育區進行二次探測。【結果】通過分析注漿后的數據結果，并與注漿前進行對比發現，低阻發育區視電阻率增大，注漿效果明顯。【結論】研究結果表明，礦井瞬變電磁法可以發現視電阻率低阻異常區，并能有效監測水平定向井注漿技術的效果。

關鍵詞：礦井瞬變電磁；水平定向井注漿；低阻異常區；巖溶賦水；二次探測

中圖分類號：TD745" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.010

Application of Transient Electromagnetic Method in Detecting the Effectiveness of Horizontal Directional Well Grouting Technology in Mines

WANG Dongwei

（Henan Second Geological Exploration Institute Limited Company， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to find out whether there is a karst development area in the floor of 1340 working face in Zhaozhuang Mine， and to study the application effect of mine transient electromagnetic method in the effect detection of grouting technology in horizontal directional wells. [Methods] The mine transient electromagnetic method was used to detect the floor of the working face， and two low resistivity anomaly areas of apparent resistivity were found. According to the water-bearing characteristics of floor limestone， two main holes are designed in the low-resistance abnormal area， and the horizontal directional well grouting technology is used for grouting reinforcement. When the main hole reaches the predetermined position， the directional hole is arranged for grouting. In order to detect the grouting effect after grouting， the mine transient electromagnetic method was used to carry out secondary observation in the low resistance development area. [Findings] By analyzing the data results after grouting and comparing with those before grouting， the apparent resistivity in the low-resistance development area increased， and the grouting effect was obvious.[Conclusions] The research results show that the mine transient electromagnetic method can find the low resistivity anomaly area of apparent resistivity， and can effectively detect the effect of horizontal directional well grouting technology.

Keywords： mine transient electromagnetic; horizontal directional well grouting; low resistance abnormal area; karst water accumulation; secondary observation

0 引言

煤礦在開采過程中，經常會遭遇煤層底板巖溶突水。煤層底板巖溶賦水區隱伏性強、時空變化大，在煤層工作面綜采前，需要采用礦井瞬變電磁法探測工作面下方是否存在巖溶賦水區等導、含水構造［1-2］，當發現綜采工作面下方存在地質異常體時，需要采用注漿技術進行堵漏。

水平定向井技術依托一個豎直井，在到達目的層深度時，在豎直井四周按設計方向和距離進行水平鉆進。運用水平定向井技術鉆孔能夠有效抵達煤層工作面底板下方導、含水構造位置，抵達預定位置后，即刻進行注漿堵漏［3-4］，然后用礦井瞬變電磁法再次探測地質異常區，來監測水平定向井注漿技術效果，以期達到治理地質異常體的目的，從而保證煤層工作面安全高效開采。

1 方法介紹

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法基本原理同地面瞬變電磁法一樣，但受井下施工環境影響，該方法與地面TEM數據采集與處理方式又有不同。在井下施工時，發射線圈面積小，探測深度也較淺。該方法采用全空間瞬變響應，具有以下特點：①采用邊長2 m的多匝回線裝置，測量設備輕便，工作效率高；②采用小回線觀測系統，體積效應低、橫向分辨率高；③距離地下異常體更近，信號更強，該方法將線圈放置于巷道底板測量，探測煤層工作面底板一定深度內含水性異常體垂向和橫向發育規律，其視電阻率的晚期計算見式（1）。

[ρt=C×μ04πt×（2μ0SNsn5t（V/I））23=C×6.32×10-12×（S×N）23×（s×n）23×（V/I）-2/3×（t）-5/3] （1）

式中：C為全空間響應系數；S為發射線圈面積；N為發射線圈匝數；s為接收線圈面積；n為接收線圈匝數；t為二次場衰減時間；V/I為儀器接收到的歸一化二次場電位值。在得到單個測點的視電阻率值后，根據時間—深度轉換公式，可以計算出不同視電阻率值對應的深度。

1.2 水平定向井注漿技術

水平定向井煤層底板注漿技術指在煤礦地面通過堅硬巖層鉆孔并利用注漿設備進行注漿施工，將水泥漿料灌注到煤層底板中，形成一層堅固的防水屏障，從而有效地阻止地下水體的涌入和滲漏。水平定向井煤層底板注漿技術操作簡單，施工便捷，注漿漿料成本低廉，施工過程無污染，不會對煤礦地面和周邊環境造成影響。該技術適用于各類煤礦、煤層底板滲水問題，尤其是對于那些地質條件復雜、地下水體豐富的煤礦，地面水平定向井煤層底板注漿技術能夠發揮更大的優勢。

2 礦井瞬變電磁法探測水害

趙莊礦1340工作面位于5號煤層中，賦存相對比較穩定，5號煤層底板存在奧陶系灰巖。煤層工作面走向長度250 m，傾向長度108 m，煤層厚度為1.3～1.8 m，厚度變化系數較小，煤層局部含部分夾矸。5號煤層頂板有一層薄砂巖，厚度0.5 m，砂巖上面為灰巖，厚0.7～2.2 m，平均厚度1.5 m。煤層底板距離奧灰巖層頂面間距50 m左右。1340工作面底板奧灰水為最主要含水層，且在周圍礦區已經部分揭露奧灰水突水地段，是該工作面的開采難題。

由于5號煤層標高較低，煤層賦存深度大，在開采過程中，煤層底板受下部承受水壓力較大，在采煤過程中煤層底板破壞深度會加劇，下部巖體受采煤擾動因素，底板原生裂隙會急劇擴大，裂隙一旦和下部奧陶系灰巖水連通，間接增加了奧灰水導升高度。特別是開采區內已經揭露部分小斷層，同時區內構造裂隙相對比較發育，受奧灰水水壓的影響，在開采過程中，極易引發底板水沿構造破碎帶或煤層底板裂隙帶突入礦井，從而引發礦井突水，給礦井安全生產帶來威脅。因此，采礦方決定使用礦井瞬變電磁法探測工作面底板下部地質特征，使用儀器為武漢地大華睿地學技術有限公司生產的YCS200礦用瞬變電磁儀，施工方法如圖1所示。

本次勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，采用邊長2.0 m的發射線框，發射線圈匝數為24匝，接收線圈匝數為40匝。供電電流擋為2A，供電脈寬10 ms。每個測點采用20次疊加方式提高信噪比，接收完原始數據后，導入數據編輯軟件，首先查看一次場是否存在畸變點，確保所有一次場數據準確后，進行視電阻率換算，得到單個測點不同接收時間的視電阻率值，再根據視電阻率值和對應的接收時間，換算出其對應的深度，得到單個測點不同深度的視電阻率值。以此類推，計算所有測點不同深度的視電阻率值。

趙莊礦1340工作面底板礦井瞬變電磁法視電阻率斷面等值線如圖2所示，圖中數值的單位為Ω·m，斷面圖右側為工作面底板視電阻率色階比例圖。在斷面圖中，橫坐標為垂直工作面走向的一條測線［5-6］，測點間距15 m，將縱坐標-770 m位置標定為工作面底板下奧灰巖層頂部。

由圖2可知，視電阻率等值線頂部相對比較穩定，在橫向上沒有明顯的異常擾動，未發現明顯的視電阻率異常，在奧灰巖層頂部以下40～100 m地段，視電阻率值等值線在橫向上變化明顯，局部存在低阻擾動，局部低阻異常比較發育，視電阻率值形成1個低阻封閉圈A，其視電阻率值從160 Ω·m逐步減小，到異常中心位置達到最小，逐漸減小到60 Ω·m。依據地質資料分析A異常區為奧灰巖層裂隙相對發育區，由于受礦井瞬變電磁探測深度的限制，其含水性情況不明。一旦含水性較強且與上部的巖層裂隙導通，在綜采工作采掘到該地段時，灰巖水將會順著巖層裂隙涌入工作面［7-8］，造成工作面底板突水，給礦井安全生產帶來嚴重影響。

3 水平定向井注漿技術治理工作面底板

3.1 鉆孔布置與結構

采礦方依據工作面底板視電阻率斷面以及奧灰含水層賦水性不均一的特點，設計了水平定向井注漿技術施工方案，以堵源為主、兼顧突水通道，設計兩個定向主孔，具體如圖3所示。主孔1位于測線45 m位置，主孔2位于測線200 m位置，待主孔達到預定目的層后，分別設計4個分支孔進行水平鉆進。

鉆孔主孔結構分三級：①注1孔，0～36 m，孔徑φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，鉆孔進入基巖內5 m，目的是穿透第四系地層并將其隔離；注2孔，0～30 m，孔徑φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管；鉆孔進入基巖內5 m，目的是穿透第四系地層并將其隔離開。②注1孔：36～835.4 m，孔徑φ216 mm，下入φ178 mm×8.05 mm通天套管834.2 m（下至大煤底板以下5 m）；注2孔，30～834.6 m，孔徑φ216 mm，下入φ178 mm×8.05 mm通天套管832.2 m（下至大煤底板以下5 m）。③注1孔，835.4～1 075.6 m，孔徑φ155 mm，為裸孔（鉆至奧灰頂面以下100 m處）；注2孔，834.6～1071.6 m，孔徑φ155 mm，為裸孔（鉆至奧灰頂面以下100 m處）。分支鉆孔結構為注1孔各分支孔孔深240.6 m，注2孔各分支孔孔深238.3 m，孔徑φ127 mm，裸孔。

3.2 鉆孔施工技術要求

設計直孔鉆孔，施工前對鉆孔進行編號，根據井下位置計算對應的地面坐標。在施工過程中，及時監測孔斜，防止鉆孔超偏，下套管前測量孔斜。在地面開孔，一級套管隔離開沖積層，套管下入基巖內不少于5 m；二級套管下在大煤底板下5 m；裸孔進入奧灰100 m，未見漏水情況時，繼續鉆進，并及時進行水文地質觀測，遇到奧灰漏水層段時，詳細記錄漏水的深度、厚度、漏失量、水位等數據，分析觀測的水文資料，詳細研究連通試驗結果，決定注漿的配比和參數［9-10］，從而確定注漿的類型。

3.3 注漿設計

掃孔采用千米機作為注漿掃孔專用鉆機，每輪注漿停8 h后再掃孔。在注漿期間，連續觀測奧灰孔水位動態變化情況，同時詳細記錄觀測數據，分析數據變化情況后，依據結果調整注漿工藝。采用連續兩次攪拌法制漿工藝，漿液濃度視巖溶裂隙發育程度而定，水灰比分別為1∶1、1∶0.8、0.5∶1、1∶0.5，按要求先稀后濃。等注漿結束后，注漿孔、串漿孔均進行掃孔，確保不出現孔堵現象。

在測線45 m處下入水平井儀器，在-840 m處進行側鉆開始該井的第一個分支鉆進，遇漿液大量漏失（遇導水裂隙等構造），立即開始注水泥漿液，證明該處裂隙發育且賦水性強［11-12］，即刻在此地段進行封堵。水平定向井于井斜85.7°、方位193.7°、位移437.32 m處鉆遇灰巖，又出現奧灰漿液漏失現象，漏失量較A異常區稍弱，證明該處存有斷層或裂隙發育，同樣起鉆進行封堵。主孔1的其他分支孔在灰巖層中未遇到漿液漏失現象，即未遇到導水裂隙帶。主孔2的2-2#分支孔在奧灰中成功鉆至井斜41.6°、方位238.3°，位移65.8 m處，出現漿液輕微漏失，采礦方通過壓水試驗，確定了吸水量的大小，配置了相應濃度的漿液進行了封堵。其他3個分支孔在灰巖層中未遇到漿液漏失現象［13-14］，即未遇到導水裂隙帶。

4 水平定向井注漿技術效果監測

在注漿過程中，定向鉆孔對煤層工作面底板下部灰巖產生了擾動，灰巖內部遭受擾動后，可能產生次生裂隙。次生裂隙在上覆煤層開采過程中，可能演變成新的導水通道。因此在注漿后，需要監測水平定向井對灰巖賦水區的注漿效果，采用礦井瞬變電磁法再次觀測1340工作面底板，觀測角度和儀器設置參數和注漿前保持一致。

趙莊礦1340工作面水平定向井注漿技術效果如圖4所示。由圖4可知，視電阻率等值線在頂部變化很小，說明淺部受水平定向井擾動較小，在奧灰巖層頂部以下40～100 m地段，即水平定向施工注漿地段，其視電阻率等值線發生了一定變化［15］，局部低阻異常擾動不再出現。對比圖2可以看出，低阻封閉圈A視電阻率值在注漿之前，最低值為60 Ω·m，經過水平定向井注漿后，低阻封閉圈A的視電阻率值已經升至180 Ω·m，與周圍的奧灰巖層的視電阻率值接近，低阻封閉圈消失，且未見次生裂隙產生，1-1#、2-2#分支孔注漿封堵效果明顯，水平定向井注漿技術為1340工作面安全開采提供了保障，同時鞏固了防治水治理效果。

5 結論

通過礦井瞬變電磁法可以判定綜采工作面下方的地質體發育特征，發現綜采工作面下方存在巖溶發育區等地質異常體時，可以采用水平定向井注漿技術封堵異常區。水平定向井注漿堵漏施工技術減少了人員、設備、施工占地等費用的投入，使注漿堵漏施工技術效率得到了有效提升。注漿加固后采用礦井瞬變電磁法進行二次探測，通過與注漿前的數據進行對比，可以有效監測水平定向井注漿技術的注漿效果，為礦山安全生產提供保障。

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