郝衛(wèi)青

（朔州煤電應(yīng)急防控中心 ，山西 朔州 037000）

我國(guó)煤炭主要以井下開(kāi)采為主，且賦存條件較為復(fù)雜，導(dǎo)致了煤礦開(kāi)采效率不高，安全事故頻發(fā)。井下開(kāi)采存在著熔巖空洞、熔巖管道、斷層、褶皺等復(fù)雜的地質(zhì)條件，即使發(fā)生小規(guī)模的地質(zhì)異變，往往能夠引起較大的安全事故。針對(duì)這些地質(zhì)異變情況，如果前期不能做出科學(xué)合理的探測(cè)預(yù)報(bào)，就會(huì)直接影響后續(xù)開(kāi)采以及水害防止等工作，甚至對(duì)煤礦安全高生產(chǎn)造成重大影響[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)鉆孔超前探水技術(shù)在掘進(jìn)巷道中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 煤礦地質(zhì)及開(kāi)采概況

1.1 地表特征

針對(duì)礦區(qū)形成的采空區(qū)，為了防止在礦井掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生突水和涌水等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防，需要對(duì)采空區(qū)的積水量和積水范圍進(jìn)行詳實(shí)的了解。該工作礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之采空區(qū)和淺埋煤層的不規(guī)范開(kāi)采，地面形成了大量開(kāi)裂現(xiàn)象。地表工程施工、自然溝壑以及原始資料的缺失，對(duì)常規(guī)的電法手段探測(cè)手段造成很大困難。

由于孔內(nèi)物探法對(duì)地形的適應(yīng)性更強(qiáng)，可以對(duì)隱患區(qū)進(jìn)行更好的探測(cè)，因此選用YZT6鉆孔超前探水物探儀對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行探查[2]。

1.2 采空區(qū)的分布特征

由于礦區(qū)內(nèi)原有的小煤礦煤層露頭周圍存有大量老硐，且礦井基礎(chǔ)設(shè)施陳舊，支護(hù)簡(jiǎn)陋，開(kāi)采巷道長(zhǎng)度較短，大部分在100～300 m范圍內(nèi)，且垂直深度較淺。由于開(kāi)采中采用房柱式開(kāi)采，致使采空區(qū)在分布較為凌亂，且采空區(qū)大部分充水。采空區(qū)孤立、充水的地質(zhì)特征，是選用鉆孔超前物探儀另一個(gè)重要原因[3]。

1.3 地層地質(zhì)條件

該礦區(qū)的煤系地層電學(xué)性質(zhì)特征表見(jiàn)表1[4]。

2 電法探測(cè)理論基礎(chǔ)

2.1 電阻率法理論分析

由于不同地質(zhì)之間存在不同的電性差異，這種差異就會(huì)造成人工穩(wěn)定電流場(chǎng)的電場(chǎng)出現(xiàn)不同規(guī)律的分布，電阻率法正是基于地質(zhì)電性差異來(lái)研究地質(zhì)問(wèn)題[5]。

表1 煤系地層電學(xué)性質(zhì)特征表

圖1 探測(cè)原理圖

圖1 所示為探測(cè)原理圖，假設(shè)四周均勻且各向同性的半空間巖體的電阻率為ρ1,掌子面為P，其前方為一球體狀的地下隱患，球體內(nèi)介質(zhì)電阻率為ρ2。當(dāng)球內(nèi)介質(zhì)為空氣時(shí)，ρ2＞ρ1；介質(zhì)為水或者泥沙時(shí)ρ2＜ρ1。

以球中心的電位為零電位，則沿著電流場(chǎng)方向從球外側(cè)到球中心任意一點(diǎn)的電位可表達(dá)為下式：

式中：U為任意點(diǎn)的電位，V；ρ1為為半空間巖體的電阻率；ρ2為球體內(nèi)介質(zhì)電阻率；r0為掌子面前方為球體狀的地下隱患半徑，m；r為球體中心到觀測(cè)點(diǎn)間的距離，m；j0為均勻電流場(chǎng)的電流密度，A/m2。

電場(chǎng)強(qiáng)度E的表達(dá)式為：

電場(chǎng)強(qiáng)度異常百分比的表達(dá)式為：

在電法勘探中，地下空間任何點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E與視電阻率ρs間的關(guān)系式為：

從上式可以看出，任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E可以通過(guò)視電阻率來(lái)進(jìn)行描述，同樣，電場(chǎng)強(qiáng)度的異常變化率也可通過(guò)視電阻率異常變化率進(jìn)行體現(xiàn)[6]。

假如球狀異常體內(nèi)介質(zhì)為水，即儲(chǔ)水隱患，異常球體半徑為5m，探測(cè)電流密度為0.1m A/m2，圍巖電阻率為1000Ω·m，探測(cè)距離從距球心100m處開(kāi)始，不斷靠近球體?？梢杂?jì)算出電場(chǎng)強(qiáng)度，具體如圖2所示，可以看出隨著距離不斷接近球體中心，電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，越靠近球體中心處，電場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)越快[7]。

圖2 低阻體

2.2 煤礦鉆孔超前探水技術(shù)原理

鉆孔超前探水技術(shù)主要是在煤礦巷道沿著掘進(jìn)方向進(jìn)行鉆孔，將測(cè)量探頭緩慢深入孔底，對(duì)鉆孔周圍以及孔底30m范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔全方位超前探水功能。選用的探測(cè)儀器可以通過(guò)電導(dǎo)率法和激發(fā)極化法同步進(jìn)行，通過(guò)對(duì)采集的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終對(duì)富水體等有害地質(zhì)進(jìn)行有效的探測(cè)預(yù)報(bào)。該方法多頻點(diǎn)同時(shí)發(fā)射，等頻點(diǎn)同時(shí)接收的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)對(duì)微弱信號(hào)較為敏感，是一種較好的巷道超前探水方法。

3 鉆孔超前物探技術(shù)探測(cè)應(yīng)用與效果

3.1 鉆孔參數(shù)的選擇

圖3 鉆孔布置圖

試驗(yàn)中選用YZT6鉆孔超前探水儀對(duì)工作面2206回風(fēng)順槽進(jìn)行探測(cè)，有效探測(cè)距離為100m，孔徑為60mm；點(diǎn)距為1m。根據(jù)前期探測(cè)資料顯示，2206回風(fēng)順槽上部約45m沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水患現(xiàn)象。但是因?yàn)榛仫L(fēng)順槽存上部在積水，有必要對(duì)上部空區(qū)進(jìn)行探放水工作，明確積水范圍和積水量。鉆場(chǎng)位置設(shè)置在回風(fēng)巷掘進(jìn)頭處，4個(gè)探水孔中，1#-3#為試驗(yàn)孔，4#為驗(yàn)證孔。1#孔沿著掘進(jìn)面方向，傾角為0°，深度為60m；2#孔與1#孔夾角15°，深度為70m；3#孔與1#孔夾角30°，深度為70m；4#孔與1#孔夾角45°，深度為71m。具體位置如圖3所示。

3.2 勘探效果分析

本試驗(yàn)采用YZT6專用鉆孔超前探水設(shè)備，主要用視電導(dǎo)率和視極化率兩個(gè)參數(shù)作為探水效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。圖4所示為1#孔試驗(yàn)探測(cè)數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，1#孔在傾角0°方向，沿著掘進(jìn)方向49m內(nèi)，視電導(dǎo)率和視極化率曲線整體變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)突變較大的峰值，說(shuō)明在1#孔周圍40m左右范圍內(nèi)，沿著掘進(jìn)方向49m段沒(méi)有出現(xiàn)異常的地質(zhì)隱患。

圖4 1#孔探測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖5 所示為2#試驗(yàn)探測(cè)數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，在鉆孔傾角15°方向，0～60 m深度范圍內(nèi)，視電導(dǎo)率和視極化率曲線整體變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)突變較大的峰值，說(shuō)明在2#孔軸心半徑40m左右范圍內(nèi)，沿著掘進(jìn)方向60m段沒(méi)有出現(xiàn)異常的地質(zhì)隱患。但是當(dāng)掘進(jìn)深度至63m左右時(shí)，視極化率出現(xiàn)劇烈變化，同時(shí)視電導(dǎo)率也明顯增大，說(shuō)明此段存在地質(zhì)隱患，推測(cè)周邊存在裂隙導(dǎo)致的低租異常隱患。

圖5 2#孔探測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖6 所示為3#孔試驗(yàn)探測(cè)數(shù)據(jù)圖，從圖可以看出，視極化率在孔深45m、59m處出現(xiàn)兩次明顯峰值。在45m處，視極化率變化的同時(shí)，視電導(dǎo)率也出現(xiàn)較小的同步變化，推辭在45m處存在一定量的裂隙水；在59m處視極化率發(fā)生較大變化，但同時(shí)視電導(dǎo)率數(shù)據(jù)平穩(wěn)且數(shù)值較低，推測(cè)在孔深59m處可能存在含水體，建議在該位置進(jìn)行進(jìn)一步的探水鉆孔措施。

圖6 3#孔探測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了電法探測(cè)的探測(cè)原理，并對(duì)礦井的2206回風(fēng)槽應(yīng)用YZT6鉆孔超前探測(cè)儀進(jìn)行了實(shí)際探測(cè)。采用視極化率和視電導(dǎo)率兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行隱患評(píng)估。探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，掘進(jìn)方向存在3處異常點(diǎn)，具體為2#孔63m處，3#孔45m和59m處。分析后推測(cè)，在中心半徑40m范圍內(nèi)，2#孔63m和3#孔45m處存在裂隙導(dǎo)致的低租異常體，3#孔59m處存在采空區(qū)或者冒落區(qū)引起的含水體可能性較大。