矿井瞬变电磁法在水平定向井注浆技术效果监测中的应用

摘 要：【目的】查明赵庄矿1340工作面底板是否存在岩溶发育区，并研究矿井瞬变电磁法在水平定向井注浆技术效果监测中的应用效果。【方法】采用矿井瞬变电磁法进行工作面底板探测，发现2个视电阻率低阻异常区。针对底板灰岩赋水特性，在低阻异常区设计2个主孔，采用水平定向井注浆技术进行注浆加固，当主孔到达预定位置后再布置定向孔进行注浆。注浆后为监测注浆效果，采用矿井瞬变电磁法对低阻发育区进行二次探测。【结果】通过分析注浆后的数据结果，并与注浆前进行对比发现，低阻发育区视电阻率增大，注浆效果明显。【结论】研究结果表明，矿井瞬变电磁法可以发现视电阻率低阻异常区，并能有效监测水平定向井注浆技术的效果。

关键词：矿井瞬变电磁；水平定向井注浆；低阻异常区；岩溶赋水；二次探测

中图分类号：TD745" " "文献标志码：A" " "文章编号：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

煤矿在开采过程中，经常会遭遇煤层底板岩溶突水。煤层底板岩溶赋水区隐伏性强、时空变化大，在煤层工作面综采前，需要采用矿井瞬变电磁法探测工作面下方是否存在岩溶赋水区等导、含水构造［1-2］，当发现综采工作面下方存在地质异常体时，需要采用注浆技术进行堵漏。

水平定向井技术依托一个竖直井，在到达目的层深度时，在竖直井四周按设计方向和距离进行水平钻进。运用水平定向井技术钻孔能够有效抵达煤层工作面底板下方导、含水构造位置，抵达预定位置后，即刻进行注浆堵漏［3-4］，然后用矿井瞬变电磁法再次探测地质异常区，来监测水平定向井注浆技术效果，以期达到治理地质异常体的目的，从而保证煤层工作面安全高效开采。

1 方法介绍

1.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法基本原理同地面瞬变电磁法一样，但受井下施工环境影响，该方法与地面TEM数据采集与处理方式又有不同。在井下施工时，发射线圈面积小，探测深度也较浅。该方法采用全空间瞬变响应，具有以下特点：①采用边长2 m的多匝回线装置，测量设备轻便，工作效率高；②采用小回线观测系统，体积效应低、横向分辨率高；③距离地下异常体更近，信号更强，该方法将线圈放置于巷道底板测量，探测煤层工作面底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，其视电阻率的晚期计算见式（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为全空间响应系数；S为发射线圈面积；N为发射线圈匝数；s为接收线圈面积；n为接收线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为仪器接收到的归一化二次场电位值。在得到单个测点的视电阻率值后，根据时间—深度转换公式，可以计算出不同视电阻率值对应的深度。

1.2 水平定向井注浆技术

水平定向井煤层底板注浆技术指在煤矿地面通过坚硬岩层钻孔并利用注浆设备进行注浆施工，将水泥浆料灌注到煤层底板中，形成一层坚固的防水屏障，从而有效地阻止地下水体的涌入和渗漏。水平定向井煤层底板注浆技术操作简单，施工便捷，注浆浆料成本低廉，施工过程无污染，不会对煤矿地面和周边环境造成影响。该技术适用于各类煤矿、煤层底板渗水问题，尤其是对于那些地质条件复杂、地下水体丰富的煤矿，地面水平定向井煤层底板注浆技术能够发挥更大的优势。

2 矿井瞬变电磁法探测水害

赵庄矿1340工作面位于5号煤层中，赋存相对比较稳定，5号煤层底板存在奥陶系灰岩。煤层工作面走向长度250 m，倾向长度108 m，煤层厚度为1.3～1.8 m，厚度变化系数较小，煤层局部含部分夹矸。5号煤层顶板有一层薄砂岩，厚度0.5 m，砂岩上面为灰岩，厚0.7～2.2 m，平均厚度1.5 m。煤层底板距离奥灰岩层顶面间距50 m左右。1340工作面底板奥灰水为最主要含水层，且在周围矿区已经部分揭露奥灰水突水地段，是该工作面的开采难题。

由于5号煤层标高较低，煤层赋存深度大，在开采过程中，煤层底板受下部承受水压力较大，在采煤过程中煤层底板破坏深度会加剧，下部岩体受采煤扰动因素，底板原生裂隙会急剧扩大，裂隙一旦和下部奥陶系灰岩水连通，间接增加了奥灰水导升高度。特别是开采区内已经揭露部分小断层，同时区内构造裂隙相对比较发育，受奥灰水水压的影响，在开采过程中，极易引发底板水沿构造破碎带或煤层底板裂隙带突入矿井，从而引发矿井突水，给矿井安全生产带来威胁。因此，采矿方决定使用矿井瞬变电磁法探测工作面底板下部地质特征，使用仪器为武汉地大华睿地学技术有限公司生产的YCS200矿用瞬变电磁仪，施工方法如图1所示。

本次勘探装置类型采用重叠回线组合装置，采用边长2.0 m的发射线框，发射线圈匝数为24匝，接收线圈匝数为40匝。供电电流挡为2A，供电脉宽10 ms。每个测点采用20次叠加方式提高信噪比，接收完原始数据后，导入数据编辑软件，首先查看一次场是否存在畸变点，确保所有一次场数据准确后，进行视电阻率换算，得到单个测点不同接收时间的视电阻率值，再根据视电阻率值和对应的接收时间，换算出其对应的深度，得到单个测点不同深度的视电阻率值。以此类推，计算所有测点不同深度的视电阻率值。

赵庄矿1340工作面底板矿井瞬变电磁法视电阻率断面等值线如图2所示，图中数值的单位为Ω·m，断面图右侧为工作面底板视电阻率色阶比例图。在断面图中，横坐标为垂直工作面走向的一条测线［5-6］，测点间距15 m，将纵坐标-770 m位置标定为工作面底板下奥灰岩层顶部。

由图2可知，视电阻率等值线顶部相对比较稳定，在横向上没有明显的异常扰动，未发现明显的视电阻率异常，在奥灰岩层顶部以下40～100 m地段，视电阻率值等值线在横向上变化明显，局部存在低阻扰动，局部低阻异常比较发育，视电阻率值形成1个低阻封闭圈A，其视电阻率值从160 Ω·m逐步减小，到异常中心位置达到最小，逐渐减小到60 Ω·m。依据地质资料分析A异常区为奥灰岩层裂隙相对发育区，由于受矿井瞬变电磁探测深度的限制，其含水性情况不明。一旦含水性较强且与上部的岩层裂隙导通，在综采工作采掘到该地段时，灰岩水将会顺着岩层裂隙涌入工作面［7-8］，造成工作面底板突水，给矿井安全生产带来严重影响。

3 水平定向井注浆技术治理工作面底板

3.1 钻孔布置与结构

采矿方依据工作面底板视电阻率断面以及奥灰含水层赋水性不均一的特点，设计了水平定向井注浆技术施工方案，以堵源为主、兼顾突水通道，设计两个定向主孔，具体如图3所示。主孔1位于测线45 m位置，主孔2位于测线200 m位置，待主孔达到预定目的层后，分别设计4个分支孔进行水平钻进。

钻孔主孔结构分三级：①注1孔，0～36 m，孔径φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，钻孔进入基岩内5 m，目的是穿透第四系地层并将其隔离；注2孔，0～30 m，孔径φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管；钻孔进入基岩内5 m，目的是穿透第四系地层并将其隔离开。②注1孔：36～835.4 m，孔径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，孔径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，孔径φ155 mm，为裸孔（钻至奥灰顶面以下100 m处）；注2孔，834.6～1071.6 m，孔径φ155 mm，为裸孔（钻至奥灰顶面以下100 m处）。分支钻孔结构为注1孔各分支孔孔深240.6 m，注2孔各分支孔孔深238.3 m，孔径φ127 mm，裸孔。

3.2 钻孔施工技术要求

设计直孔钻孔，施工前对钻孔进行编号，根据井下位置计算对应的地面坐标。在施工过程中，及时监测孔斜，防止钻孔超偏，下套管前测量孔斜。在地面开孔，一级套管隔离开冲积层，套管下入基岩内不少于5 m；二级套管下在大煤底板下5 m；裸孔进入奥灰100 m，未见漏水情况时，继续钻进，并及时进行水文地质观测，遇到奥灰漏水层段时，详细记录漏水的深度、厚度、漏失量、水位等数据，分析观测的水文资料，详细研究连通试验结果，决定注浆的配比和参数［9-10］，从而确定注浆的类型。

3.3 注浆设计

扫孔采用千米机作为注浆扫孔专用钻机，每轮注浆停8 h后再扫孔。在注浆期间，连续观测奥灰孔水位动态变化情况，同时详细记录观测数据，分析数据变化情况后，依据结果调整注浆工艺。采用连续两次搅拌法制浆工艺，浆液浓度视岩溶裂隙发育程度而定，水灰比分别为1∶1、1∶0.8、0.5∶1、1∶0.5，按要求先稀后浓。等注浆结束后，注浆孔、串浆孔均进行扫孔，确保不出现孔堵现象。

在测线45 m处下入水平井仪器，在-840 m处进行侧钻开始该井的第一个分支钻进，遇浆液大量漏失（遇导水裂隙等构造），立即开始注水泥浆液，证明该处裂隙发育且赋水性强［11-12］，即刻在此地段进行封堵。水平定向井于井斜85.7°、方位193.7°、位移437.32 m处钻遇灰岩，又出现奥灰浆液漏失现象，漏失量较A异常区稍弱，证明该处存有断层或裂隙发育，同样起钻进行封堵。主孔1的其他分支孔在灰岩层中未遇到浆液漏失现象，即未遇到导水裂隙带。主孔2的2-2#分支孔在奥灰中成功钻至井斜41.6°、方位238.3°，位移65.8 m处，出现浆液轻微漏失，采矿方通过压水试验，确定了吸水量的大小，配置了相应浓度的浆液进行了封堵。其他3个分支孔在灰岩层中未遇到浆液漏失现象［13-14］，即未遇到导水裂隙带。

4 水平定向井注浆技术效果监测

在注浆过程中，定向钻孔对煤层工作面底板下部灰岩产生了扰动，灰岩内部遭受扰动后，可能产生次生裂隙。次生裂隙在上覆煤层开采过程中，可能演变成新的导水通道。因此在注浆后，需要监测水平定向井对灰岩赋水区的注浆效果，采用矿井瞬变电磁法再次观测1340工作面底板，观测角度和仪器设置参数和注浆前保持一致。

赵庄矿1340工作面水平定向井注浆技术效果如图4所示。由图4可知，视电阻率等值线在顶部变化很小，说明浅部受水平定向井扰动较小，在奥灰岩层顶部以下40～100 m地段，即水平定向施工注浆地段，其视电阻率等值线发生了一定变化［15］，局部低阻异常扰动不再出现。对比图2可以看出，低阻封闭圈A视电阻率值在注浆之前，最低值为60 Ω·m，经过水平定向井注浆后，低阻封闭圈A的视电阻率值已经升至180 Ω·m，与周围的奥灰岩层的视电阻率值接近，低阻封闭圈消失，且未见次生裂隙产生，1-1#、2-2#分支孔注浆封堵效果明显，水平定向井注浆技术为1340工作面安全开采提供了保障，同时巩固了防治水治理效果。

5 结论

通过矿井瞬变电磁法可以判定综采工作面下方的地质体发育特征，发现综采工作面下方存在岩溶发育区等地质异常体时，可以采用水平定向井注浆技术封堵异常区。水平定向井注浆堵漏施工技术减少了人员、设备、施工占地等费用的投入，使注浆堵漏施工技术效率得到了有效提升。注浆加固后采用矿井瞬变电磁法进行二次探测，通过与注浆前的数据进行对比，可以有效监测水平定向井注浆技术的注浆效果，为矿山安全生产提供保障。

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