煤矿回采工作面钻孔注水联合探测试验研究

刘百祥

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

煤矿工作面回采中的水害隐患制约着煤炭安全高效生产，同时也影响着煤矿的经济效益。若在回采之前，能够准确探查工作面水害情况，使矿方做好充分准备提前探放水，则不仅能确保生产顺利进行，提高生产效率，而且能保证煤矿安全生产。国内学者对工作面水害和水力压裂效果从不同的方向进行了研究，工作面水害主要针顶板水害、底板水害进行探查（主要采用并行电法和瞬变电磁法），以及针对工作面进行水害安全评价等[1-4]；对目前对工作面水害探测应用较多的采用较为单一的物探方法进行探测，如利用瞬变电磁法或高密度电法或音频电透视探测[5]，单一的方法通常有所局限，受现场干扰因素影响较大，造成探测结果的准确性降低。这几种物探方法工作原理各有不同，探测条件要求和适用范围也有差别，对工作面水害探测结果有所区别[6]。水力压裂主要有顺层压裂、高抽巷压裂、底抽巷压裂、沿煤层端头压裂，但对压裂效果都是基于现场应用研究，通过后期瓦斯抽采量来间接确定，水力压裂增透效果的检验方法有压裂参数及施工现场分析、采样实验室分析、示踪剂检验、直流电法检验、电磁辐射监测技术、抽采效果评价技术等[7-8]。借鉴前人研究相关应用和理论成果，根据现场实际经验，采用矿井高密度电法、瞬变电磁法、高频电磁波CT这3种物探方法对工作面高压注水前后进行试验联合探测，对比分析研究其电性参数的变化规律，有效圈定回采工作面内部含水体，对水力压裂影响范围进行初步测定，并结合工作面回采情况对探测结果进行验证。

1 方法原理

1.1 高频电磁波CT基本原理

高频电磁波CT是在顺煤层的2个巷道间或2个钻孔中进行，利用透视路径中的地质异常体对电磁波的吸收、反射、二次辐射等作用而造成的电磁能量衰减特性来探测各种地质构造异常体。假设辐射源（天线轴）中点O为原点，在近似均匀、各向同性煤层中，P点的电磁波强度Hp为：

式中：H0为一定发射功率下的天线周围的初始场强，A/m；r为观测点P到O点的距离，m；β为煤层对电磁波的衰减系数，Np/m（1 Np/m=8.686 dB/m）；θ为偶极子轴与观测点方向的夹角，（°）；f（θ）为方向性因子，常量无单位，一般采用f（θ）=sinθ，而一般天线轴线与巷道平行，则取sinθ=1计算。

对式（1）两边取对数，取 ln（Hp）=H′p，lnH0=H′0则有 H′p=H′0-βr-lnr，当辐射条件不变时，H′0是一个常数，衰减系数β是影响场强幅值的主要参数。

采用层析成像方法将接收的场强值进行处理，反演算法可采用常用的代数重建技术（ART）或联合迭代技术（SIRT），层析图像是把每个像素的值用色块图、灰度图或等值线图等表示出来，各像素的衰减系数体现了介质的物性特征，直观显示工作面内的异常分布情况[9]。

1.2 高密度电法基本原理

高密度电法跟普通电法一样，以阵列勘探电法的形式，利用地下不同介质间的物性差异，研究人工电场作用下不同煤岩层的电性分布规律,进而推断不同煤岩层的地质赋存情况。向两供电电极A、B通以电流I，然后再通过两测量电极M、N直接测取电位差△U，从而经过公式计算视电阻率值ρs，最后绘制测线位置-深度-视电阻率（L-H-ρs）等值线成果图，根据L-H-ρs成果图中的视电阻率相对低阻异常区的分布情况来圈定异常区（或地层）[10]。温纳α法装置如图1。

图1 温纳α法装置示意图

温纳装置：K=2πD，K为装置系数，常量，无单位；D为电极间距，m，AM=MN=NB=nD，n为电极距的倍数，常量，无单位。

1.3 矿井瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法是利用电磁感应定律原理，将不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[11]。

矿井瞬变电磁同地面瞬变电磁原理基本一致，但由于探测环境在地下，其响应特性为全空间电磁响应，接收回中的感应电动势为巷道空间有效探测范围内所有介质岩层电性特征的综合响应。其视电阻率ρs的计算公式为：

式中：C为全空间响应系数，常量，无单位；S为接收回线面积，m2；N为线圈匝数，常量，无单位；t为时间，s；μ0为真空磁导率，N/A；V/I为接收的归一化二次场电位电流比值，V/A。

一般来说，煤层的电阻率相对较高，通过往煤层中采用高压注水，在煤层中形成裂隙改变其含水性，模拟煤层中富水区，因而导致煤层的视电阻率降低，煤层衰减系数增大，形成一定电性差异，这为3种方法联合探测提供了物性条件。

2 试验研究

2.1 试验区概况

试验区位于山西某煤矿，该矿属于瓦斯矿井，煤层透气性低，瓦斯含量增大，采空区积水较多。根据试验设计方案，在某工作面选取煤层稳定区域作为探测试验段，本工作面回采8#煤层，工作面宽124 m其煤层平均厚度2 m。高压注水点选在距离切眼150 m、距离材料巷70 m的位置，在材料巷150 m处布设1#钻孔用于高压注水，注水压力10 MPa。

2.2 试验方案及过程

为保证多种方法联合探测效果，设计在1#钻孔两边各75 m范围内采用了高频电磁波CT技术、瞬变电磁法进行探测，为保证高密度电法的探测深度，测线布置在1#钻孔两边各150 m范围，具体探测设计如下：

1）高频电磁波CT。发射点距25 m，接收点距5 m，工作频率0.5 MHz，定点法探测。

2）高密度电法。布置在材料巷，测点距底板约1 m位置，电极距5 m，布置测线300 m，温纳α法。

3）瞬变电磁法。布置材料巷，测点间距5 m，频率25 Hz，1.5 m×1.5 m重叠回线装置，布置测点31个。

联合探测试验在注水前后各探测1次，进行对比分析研究。每种方法探测试验测点布置、探测区域的施工布置详如图2。高密度电法测点从距离切眼300 m开始布置测点，测点标号为0#~60#共61个测点，瞬变电磁和高频电磁波探测区域为15#~45#测点范围内共31个测点，探测长度为150 m。

图2 多种物探方法联合探测布置图

根据现场记录，本次单孔最终压入水量15 m3，注水压力10 MPa，因足够形成富水异常区而终止高压注水。

3 结果分析

3.1 高频电磁波CT探测成果分析

采集的高频电磁波场强值经过电磁波层析成像软件处理，根据计算的衰减系数成像，注水压裂前、压裂后的高频电磁波CT成果图如图3。图例的色谱是自白色至蓝色来体现电磁波场强衰减自弱至强，据图3可知，注水前衰减系数分布均匀，可知煤层的衰减系数大致为0.415~0.416，无明显的强衰减区；注水后衰减系数分布范围迅速扩大为0.41~0.495，衰减系纵向影响范围在纵坐标23～100 m。尤其在测线150 m位置、距离材料巷70 m位置附近约10 m范围的衰减系数值明显（大于0.47，约增幅20%）强于其他正常煤层区域，形成相对强衰减区，呈现明显的条带状。

图3 注水前后电磁波CT探测成果对比图

3.2 高密度电法探测成果分析

采集电法数据应用RES2DINV二维电阻率反演软件进行处理和反演，利用surfer软件绘制成果图，前后2次采用相同参数和成图色谱，以方便进行比较，注水前后电法探测成果如图4。

据图4可知，图中图例色谱是蓝色至白色来体现视电阻率值由小到大，本次高密度电法的解释最大深度100 m，注水压裂前的煤层视电阻率整体分布较为均匀，无明显低阻异常区；在注水后区域电阻率发生明显变化，高低阻分界比较明显，且在距离注水孔较近的横坐标130～170 m，纵坐标70～100 m区域视电阻率下降明显，在注水点30 m范围内视电阻率值降低约4倍，呈现相对明显的低阻异常区，说明水在高压作用下往前方扩散。

3.3 矿井瞬变电磁法探测成果分析

瞬变电磁法的资料解释步骤是首先对采集到的数据进行去噪处理，根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换处理，得到各测线二维视电阻率断图，试验区的瞬变电磁探测二维视电阻率断面图如图5。

图4 注水前后电法探测成果对比图

图5 注水前后瞬变电磁法探测成果对比图

据探测成果图5可知，图中图例色谱是蓝色至白色色来表示视电阻率值由低到高，注水前的探测区域整体视电阻率值分布较为均匀，符合电磁波正常衰减规律，无明显低阻异常区；注水后视电阻率等值线图在横坐标137～158 m，纵坐标74～100 m出现明显的低阻异常区，在钻孔终孔位置附近约20 m范围的视电阻率值降低约2倍。但鉴于现场巷道为金属架棚支护，造成本次探测视电阻率值相对较低。

4 综合探测成果分析及验证

高压注水对于煤层电性参数影响较为明显，因注水导致煤层完整性变差，煤层变潮湿，原生结构遭到破坏，介电常数也发生变化。高频电磁波在两巷间透射探测试验中显示为场强衰减特性变化，衰减系数值在注水孔附近增高，呈现局部区域衰减特性增强；横向靠近注水孔两侧各10 m范围内显示为较强的衰减特征，衰减系数增幅约为20%，横向分辨力相对较好；纵向为高频电磁波层析成像算法缺陷导致衰减区呈现条带状，纵向分辨力低，衰减特性说明煤层富水区域对高频电磁波吸收较好。高压注水施工，不仅能增增加煤层裂，同时也由水不断往周围扩散，对局部煤层视电阻率也造成很大影响。对比注水前后的高密度电法与瞬变电磁探测成果，2种物探方法在视电阻率等值线图上都表现出明显的低阻异常区，视电阻率分布显示为低阻区由注水孔位置往运输巷道侧的延伸，注水位置附近约30 m范围的视电阻率降低约2~4倍，分辨力在横向相对纵向要差。综合物探探测成果叠加图如图6。通过3种物探方法综合分析可知，水力压裂影响范围如图6中矩形框所示，与正常煤层相比具有明显的电性差异，在高频电磁波CT探测中呈现强衰减特性，衰减系数增幅较大，横向分辨力较好；在瞬变电磁和高密度电法探测中呈现明显的低阻异常区，富水区的视电阻率值明显降低，纵向分辨力较好，但高压注水也对纵向分辨力有一定影响。经过后期钻探验证和瓦斯抽放孔瓦斯测定，在注水孔附近30 m范围内瓦斯抽放量明显高于其他区域，以及煤层湿润程度明显高于正常煤层。

图6 综合物探探测成果叠加图

5 结论

1）3种物探方法的联合探测试验对注水模拟的低阻异常区和水力压裂影响范围均有一定反映。

2）高频电磁波CT探测成果表现为注水孔位置附近扩散半径约10 m范围内的衰减系数增幅20%左右，横向分辨力较高；高密度电法和瞬变电磁法成果表现为注水孔扩散半径约30 m范围的视电阻率降低约2～4倍，纵向分辨力较高。

3）试验表明，采用多种物探方法联合探测技术对工作面富水区的探查，可以提高横向、纵向分辨力，对水力压力影响范围能够进行初步测定。