煤矿垂向导水通道综合探测关键技术的研究

王 钢

(鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司，内蒙古 017000)

引言

奥灰导水通道对煤矿的安全回采存在极大的威胁，在足够厚的底板隔水层条件下，能承受住奥灰水力。然而在构造裂隙发育区域，很有可能存在垂向导水裂隙，导通奥灰含水层，造成工作面突水事故[1-2]。2018年9月1日开始实施的《煤矿防治水细则》要求：探查陷落柱等垂向构造时，应当同时采用物探、钻探两种方法。先采用直流电法或者瞬变电磁法超前探测迎头前方的富水异常区，然后钻探根据物探成果对迎头前方及煤层底板下方进行探测。直流电法超前方向性较弱，探测范围非常有限[3]；施工巷道空间有限、环境复杂，对瞬变电磁法影响较大[4]；钻探成果较为可靠，可若钻孔布设过多，往会造成资源浪费，甚至可能形成新的垂向通道；布设过少，对垂向通道发育规律的推断有很大局限性。因此如何利用井下巷道的分布，合理的进行工程设计，精准的对垂向通道进行探测，是奥灰带压巷道安全掘进的关键问题[5-6]。

面对上述难题，笔者利用已有巷道对即待掘进巷道进行矿井瞬变电磁法探测，并引用电感校正的技术对巷道瞬变曲线进行校正；同时将矿井瞬变电磁与钻探结合，施工孔中瞬变电磁法对钻孔周边地质情况进行三维的定位，更精准的探测垂向通道的发育规律[7-8]。

1 矿井瞬变电磁法处理技术

矿井瞬变电磁法为了达到探测距离，所采用的均是多匝发射和接收线圈[9]。在激发电场情况下，就会导致线圈的自感和互感比较严重，对瞬变电磁法早期的数据影响较大，关断时间增加，引起瞬变电磁法探测的浅层资料无法处理，从而造成对整体数据的解释难度[10]。

从地面均匀半空间瞬变电磁法[11]出发，观测参数为感应电动势的表达式为：

(1)

式中，E为观测的感应电动势，μ0是真空中的磁导率，M为发射磁矩，q为接收磁矩，ρ为电阻率，t为时间[12]。

从公式中可以看出观测的感应电动势与电阻率3/2成反比，与时间5/2成反比，对比大框和小框观测感应电动势曲线如图1。

图1 瞬变电磁法观测感应电动势对比图

对上图发现，多线圈小框感应电动势曲线发生明显变化，特别是早期1ms之前曲线；另外图1b中曲线的数值较图1a中数值大了几个数量级。这是线圈之间的自感和互感造成了关断时间过长，过渡状态下的一次场和二次场的叠加，引起了信号的抬升，并造成早期曲线的畸变，对矿井瞬变电磁法数据整体的解释造成非常大影响。

(2)

式中S为导线的截面面积，c为观测磁场强度和发射电流比例系数(H/I)，I为发射电流，t为采样时间。

因此，实测矿井瞬变电磁法感应电动势E减去自感和互感产生的感应电动势才为真实的感应电动势：

ET=E-E′

(3)

如此便校正了矿井瞬变电磁法曲线。

2 孔中瞬变电磁法

孔中瞬变电磁法的基本原理与瞬变电磁剖面法一致，区别在于施工方式和资料解释手段不同。

孔中瞬变电磁剖面探测是将发射线框与接收探头一同送入钻孔中，逐点进行三分量测量[13]：顺钻孔方向的磁场垂直分量Z分析钻孔周围可能存在的低阻异常区，垂直于钻孔向右水平分量X和垂直钻孔向下水平分量Y分析定位低阻异常的方位，从而实现以钻孔为中轴的圆柱形三维立体探查成果。探测示意图如图2所示。

图2 孔中瞬变电磁剖面探测示意图

根据数值模拟的结果[14]，可以通过孔中瞬变电磁法二次场的水平分量过零点和垂直分量峰值判断异常体的深度；通过水平分量的形态判断异常体的方位；通过矢量交汇法判读异常体的准确距离；最后采用拟地震处理方法实现电阻率反演成像。

3 工程应用实例

鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司龙王沟煤矿位于准格尔煤田中西部，主采煤层顶板上覆多层中粗砂岩含水层，煤层底板下伏奥陶系灰岩含水层，井田内已通过三维地震圈出了疑似岩溶陷落柱与断层。龙王沟煤矿奥灰水位在+870m，下伏奥灰承压含水层使全井田煤层处于带压状态，由于奥灰含水层富水性不均一，岩溶发育地段富水性强，当遇断层、陷落柱等构造时，灰岩水存在通过垂向导水构造及隔水层薄弱地段向煤层出水的可能。

6煤辅运大巷巷道底板标高810m左右，低于奥灰水文标高，属奥灰带压掘进，巷道掘进位置现位于绕曲带轴部，裂隙相对发育，且奥灰岩层富水性较强。

3.1 矿井瞬变电磁法成果

据上述条件，设计采用了物探先行、钻探验证的方式。由于辅运大巷干扰较大，改由旁侧主运大巷进行瞬变电磁法超前探测。采用瞬变电磁法对巷道迎头前方100m附近的低阻异常区，采用电感校正技术处理成果。瞬变电磁法本次施工探测三个方向：顺层、俯角30°和垂向方向：发现2处明显相对低阻异常区。1号异常位于迎头正前方20～40m，在三个方向上均有反映；2号异常位于迎头左前方，其核心位置在巷道迎头前方50～80m、偏辅运大巷附近，顺层与俯角30°均有反映。且1号异常与2号异常有联通趋势。见图3。

图3 矿井瞬变电磁法成果图

3.2 钻探探查初步成果

根据矿井瞬变电磁法的成果钻探施工5个(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)，钻孔平面和剖面位置见图4，5个孔均出现不同程度的出水(表1)，水压为0.4MPa，接近奥灰水压，其中Z2和Z3出现塌孔现象。从钻探和物探资料分析认为辅运大巷迎头前方存在裂隙发育，塌孔区域为裂隙发育较大区域，但5个孔均存在出水现象，说明裂隙发育导通奥灰水，且发育规律复杂，严重威胁巷道的安全掘进。

3.3 孔中瞬变电磁法成果

钻探的单孔局限性未将裂隙发育规律探明，设计采用孔中瞬变电磁法探查裂隙带的平面和垂向发育位置，为注浆工程提供靶区。

表1 钻孔参数一览表

为孔中瞬变施工钻孔WT，孔中瞬变电磁法成果见图4。孔中瞬变电磁法成果显示在开孔距离40～60m，距离钻孔10～15m存在一处低阻异常区，根据方向角成果显示该低阻异常位于钻孔的右下方，对裂隙带发育实现了三维定位。

3.4 注浆及验证成果

根据孔中瞬变电磁法对裂隙带三维定位，施工了ZJ孔，穿透异常区，单孔注浆量超过20t，注浆压力6MPa。

为检测注浆的效果，施工Y1和Y2孔，该两孔的出水量均小于1m3/h，且在施工中存在白色液体从孔中冒出，推断为ZJ孔注浆浆液，说明注浆已经将裂隙充填。

后掘进显示该区域6煤辅运大巷顺利安全掘进。

4 结论

①在探测垂向导水通道时，不可盲目的物探和钻探，应根据实际井下施工条件，进行有针对性的工程方案设计，方能解决面临的水文地质问题，并能保证安全、工期以及经济效益。

②瞬变电磁法对低阻敏感，矿井瞬变电磁法由于“阴影效应”，造成1和2号联通和范围较大的假象，采用孔中瞬变电磁法能避免该问题。

③孔中瞬变电磁法更精准的定位裂隙带的发育纵向和横向位置，为裂隙带的打钻注浆提供了靶区，并避免盲目的钻探造成新的导水通道的可能，是一种值得推广的探测垂向导水通道的技术。