瞬变电磁勘探法在矿井注浆堵水中的应用

杨胜伦，刘惠洲

(1.贵州省自然资源厅地质勘查处，贵阳 550001； 2.六盘水市水资源管理中心，贵州六盘水 553000；3.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，合肥 231202)

0 引言

地下水的涌出一直是制约地下工程安全生产的一项重要因素，矿井涌水不仅给井建、巷道掘进以及机电设备的管理带来困难，严重时还可能造成淹井事故和人员伤亡[1]。因此，查明矿山涌水的水源和导水通道一直是地下工程的一项重要课题[2]。长期以来，大量的学者及工程技术人员进行了不懈的努力，将多种技术方法用于地下工程注浆堵水领域，取得了较好效果[3-6]。钻探是一种最直接的探查隐蔽致灾技术，它具有精度高、直观性强、适应面宽等优点，在构造探测、老空区探测、探放水、瓦斯泄压、火区探测以及其他隐蔽致灾因素探查中发挥着越来越重要的作用[7]。和钻探相比，地球物理勘探具有设备轻便、成本低、效率高、工作空间广等优点[8]。近年来，采用物探与钻探相结合的勘探方式，在工程领域受到广大工程技术人员的青睐[9-10]。瞬变电磁法具有速度快、设备轻便、横向分辨率高、抗干扰能力强等优点，在水文物探领域得到了广泛的应用[11-13]。笔者以某矿淹井事故注浆堵水钻孔设计为背景，介绍瞬变电磁勘探与钻探相结合的注浆堵水效果。

1 研究背景

101工作面为某矿技改扩建后的首采工作面(图1)，走向长460m，切巷长110m，煤厚约10m，煤层倾角约20°，采用综采放顶煤工艺进行回采。101工作面南部为古火烧区，为了降低火烧区积水对工作面回采的影响，在101工作面与火烧区间留足了60m以上的防(隔)水煤柱。在回风巷掘进至切巷位置时，揭露一条近南北走向的裂隙，有渗水迹象。工作面布置完成后，对回风顺槽裂隙进行处置，试采6m出现工作面顶板涌水，涌水水量较大。采取相应措施后，继续回采约15m，矿井涌水量进一步加大，矿方立即组织撤离。由于供电质量差、线路压降大，新安装水泵不能正常运行，造成排水能力不足，最终造成淹井，预计矿井储存水量约60 000m3，最大涌水量约为800m3/h。经水化学分析，矿井水来源于火烧区积水。

矿井南部的火烧区露头相对广阔，而流经井田范围的河流有可能存在补给联系，推断该工作面南部火烧区变质角砾岩裂隙水储量较大，单纯依靠强排水难以解决问题。为减少排水费用，尽快恢复矿井生产，决定在该工作面出水位置附近布置地面钻孔进行注浆封堵，充填火烧区与工作面之间的过水通道并对周边火烧区进行注浆加固，切断工作面与火烧区的水力联系。为了尽快完成堵水，恢复矿井生产，降低损失，需要减少钻探无效进尺，经研究采用物探先行查明过水通道，再根据过水通道发育情况进行注浆堵水。

图1 101工作面布置及井上下对照图Figure 1 Working face No.101 layout and surface-underground contrast plan

2 过水通道瞬变电磁探测

结合现场实际，井下巷道已完全淹没，不具备井下施工条件。矿井主涌水通道位于工作面回风顺槽与切巷交接点附近，对应地表地形相对平缓，东南部沟谷发育，地形陡峭，落差较大，植被为浅草，探测目标预测距离地表为280～320m。采用直流电法探测，深度不能覆盖涌水点，适宜采用地面瞬变电磁进行探测。

2.1 观测系统布置

受东南部山谷的影响，测线主要布置于首采工作面南部。测网覆盖101工作面回风顺槽南部区域，如图2所示。由于探测范围小，精度要求高，采用大线圈瞬变电磁法(大定源法)，其勘探精度不能满足要求；若采用小线框探测，其勘探深度又受限制。经反复模拟测试， 决定采用大电流多匝小线框进行勘探。瞬变电磁测网采用5m×5m网格，测点数为400个物理点。经现场测试，采用边长为5m的重叠回线装置，发射线框18匝，接收线框36匝，供电电压48V可满足现场探测需求。

图2 瞬变电磁测线布置图Figure 2 TEM survey lines layout

2.2 探测成果

结合矿井地质和水文地质资料，对瞬变电磁数据进行处理分析，提取顺煤层切片数据，形成探测成果如图3所示。因矿井突水位置发生在回风顺槽与切巷交叉位置附近，通过视电阻率分布情况，可以得出岩层含(导)水通道的分布及发育特征如图4所示。101工作面回采面附近存在视电阻率小于25Ω·m与南部火烧区相连的区域，宽度大于20m，推测为主要导水通道，导水性强。回风顺槽末端东南部存在视电阻率小于50Ω·m与东南方向火烧区相连的区域，宽度小于5m，推测为次要导水通道，导水性较强。

图3 瞬变电磁探测成果图Figure 3 TEM prospecting results

图4 导水通道分布图Figure 4 Water conducted channel distributions

3 注浆堵水钻孔设计

根据现场情况及探测成果，共设计钻孔5个，其中主通道布置钻孔4个，次通道布置钻孔1个，如图5所示。为了保证堵水效率，提升堵水效果，必须对本次注浆的压力进行严格控制，既要满足充填裂隙，封堵含水层、破碎带和浆液扩散对注浆压力的要求，还要保证不能使太多的水泥浆液进入采空区埋没综采支架。注浆结束标准确定为注浆泵量不大于40L/min，泵压不小于水压的2倍。堵水钻孔施工顺序为SJ2、SJ1、SJ3、SJ4、SJ5。在注浆堵水过程中，可以酌情增加或减少钻孔数量,钻孔深度进入煤层底板下5m。

图5 设计钻孔布置图Figure 5 Designed boreholes layout

4 堵水效果评价

在整个注浆堵水工程中共进行三次(试)排水，并对排水期间及停排水位恢复期间水位变化进行了详细的记录如图6所示，对堵水效果进行分析与评价。

图6 注浆前后矿井水位变化对比图Figure 6 Mine water level variations contrast before and after grouting

SJ1、SJ2钻孔注浆结束后，进行了第一次试抽水，矿井水位下降缓慢，最终稳定在标高907m左右，停抽后，水位恢复曲线与淹井时水位曲线基本一致。SJ3、SJ4钻孔注浆结束后，进行了第二次抽水，效果明显优于第一次抽水时的效果，但矿井涌水量依然不低于200m3/h，不利于井底水仓的恢复。待钻孔全部结束后，进行正式排水，水位曲线下降明显。经测算，矿井残留涌水量小于170m3/h，扣除101工作面涌水前矿井正常排水量67m3/h，出水点残留水量约103m3/h，矿井排水能力已能满足抽排水要求。经研究决定正式进行复工复产。从钻孔施工到矿井恢复生产，耗时六个月，极大地缩短了矿井恢复生产的时间，降低了损失。

5 结论

采用物探成果对钻孔布置进行优化设计，可以有效减少钻探工作量，提高注浆堵水效率。采用物探与钻探相结合的注浆堵水思路不仅有效、效率高，而且经济可行，值得大力推广。物探与钻探相结合的方式，有效避免了钻探工作的盲目钻进，同时也为能有效检验物探成果，为物探定性到定量发展提供数据和试验支撑。