水害探测

水害探测（精选四篇）

水害探测篇1

关键词：千米井筒,粗砂岩高压水害,注浆治理技术

口孜东矿采用中央竖井开拓, 是目前国内穿过松散层最厚, 井筒最深、直径最大、采用冻结法施工的千米井筒。其中副井井筒设计深度为1 032m (风井1 010m) , 井筒设计净直径分别为8.0m (风井7.5m) , 实际基岩段掘进直径大于9.1m。井筒实际穿过表土层厚度为575m, 基岩段深度为457m, 其中基岩风化带厚度23m。施工实际冻结深度为625 m (冻结管深617m) , 冻结段支护深度为610m, 基岩段未冻结深度为407.0m。

1 问题的提出

口孜东矿副井井筒率先进入基岩煤系地层施工, 基岩段有多层较厚的粗、中、细砂岩, 其中一层粗砂岩的厚度12.5m, 还有8.7m细砂岩、6.8m中砂岩, 裂隙发育, 含有大量裂隙水, 距离松散层较近可能受其补给, 将威胁该井筒的安全凿掘。因此必须对岩层段进行水文地质条件探测, 一方面查明岩层的富水性, 预计涌水量以评价其富水性程度及其水力联系;制定井筒施工期间的防治水措施。另一方面研究治理方案, 对副井基岩段煤岩富水区进行注浆治理。

井筒凿掘施工期间, 由于场地狭小, 吊盘空间有限, 安装水泵能力小或利用吊桶提水, 临时管路及排水设施不健全, 水泵故障率高, 因此过基岩段含水层出现淹井事故也时有发生。口孜东矿针对基岩段高压水害在探测与治理方面上下高度重视, 采取了认真对待的态度, 明确求实的治理方法, 积极务实的预防措施, 确保了井筒在基岩段的顺利、安全、稳妥施工, 保障了井筒安全。

2 对副井井检孔水文地质条件分析

考虑到受基岩地层水、断层水及砂岩裂隙水的影响;副井井筒施工期间对井筒检查孔水文地质方面进行了详细分析和研究, 对井检孔基岩段部分砂岩含水层进行了划分和确认, 对施工中的井筒涌水量进行了估计和预算;

2.1 副井施工前井筒检查孔水文地质评价内容

根据副井井筒检查孔基岩含水层划分及涌水量预算成果, 井筒检查孔对全孔基岩段进行了混合抽水试验。抽水段592.7m~1095.5m, 抽水段厚502.9m, 含水层厚115.4m, 静止水位标高-4.13m, 恢复水位标高-7.5m, 抽水成果S=48.53m, Q=0.142L/s, q=0.00293 L/sm, K=0.002013272m/d, R=21.78m, 水温t=23℃。根据测井曲线, 基岩段主要有两个含水层, 第一含水层:574.2m~604.1m, 层厚29.9m, 预计涌水量3.1m3/h, 第二含水层:719.4m~742.5m, 层厚23.1m, 原预计涌水量0.34m3/h。

2.2 井筒水害分析

井筒检查孔对基岩含水层水源分析:地质层位在埋深692m~705m的粗砂岩, 属砂岩裂隙水;距第四系界面117m。井筒检查孔评价在孔深716.8m~739.8m, 23m厚度段, 属弱含水层。

尽管井筒检查孔显示基岩含水层属弱含水层, 经过认真分析, 对此水文地质资料的可信程度表示怀疑;本着“有疑必探, 先探后注, 先治后掘”的原则, 对该段岩层进行探放水, 以获得实际可靠的水文地质资料, 指导井筒施工。

3 副井在 (608m) 处超前探测基岩含水层

3.1 井筒基岩段水文地质特征

基岩段部分地段砂岩占的比例较大, 有多层较厚的粗、中、细、粉砂岩。在基岩上段有单层厚度8.7m细砂岩、6.8m中砂岩、12.5m粗砂岩, 粗-粉砂岩占地层总厚度的比例为40.6%。部分地段砂岩占的比例更大。裂隙发育, 含有大量裂隙水。根据副井基岩段含水层划分及涌水量预算成果, 受基岩地层水、断层水及砂岩裂隙水的影响;

3.2 副井在608m处超前探测基岩含水层钻孔施工

施工超前探测基岩含水层钻孔, 查明副井基岩段二叠系地层25煤层顶板以浅100m范围内的岩层裂隙发育及分布特征;.探测基岩段二叠系地层富水区, 以评价其富水性及其水力联系。查明副井基岩段二叠系地层25煤以浅煤层顶底板的岩层导水裂隙带范围内的砂岩分布和富水性特征;为副井基岩段施工防治水及水害治理提供技术依据。

口孜东矿副井施工至608m深度时停止施工, 开始进行打钻探砂岩裂隙水。副井打钻探水位置从累深608m~705m, 段高为97m, 砂岩段累计厚度40.8m, 利用两根原预埋孔口管打钻探水, 并在周边布置八个孔;副井1#探水钻孔:2008年3月25日1:00开始钻进, 26日6:10在钻进86m时开始出水, 共钻进89.12m;涌水量从5m3/h增加到25.5m3/h, 而后单孔涌水量一直在18m3/h~25m3/h之间, 平均涌水量为:22.0m3/h, 静水压力一直稳定在5.7MPa。

3.3 口孜东矿井筒水害预计可能出现的涌水量

副井水害不治理正常掘进, 推算可能出现的涌水量预计:

1) 采用裘布依稳定承压井流公式可以计算井筒涌水量

Q井=2∏T (H0__HW) / (㏑R/r井) =1738.0511m3/d=72.5m3/h。

2) 井筒检查孔评价在孔深692m~705 m的13m厚粗砂岩含水层段评价不准确或与实际不符;通过此次探水工作认定该段属较强含水层。

如果不对风、副井含水层进行注浆治理, 预计井筒施工过粗砂岩含水层时正常涌水量50m3/h~73.0m3/h, 如果施工中遇到大的纵向、横向导水裂隙或导水断层构造, 涌水量还会进一步增大, 直接影响风、副井井筒安全施工, 稍有麻痹就会造成淹井事故;因此必须对含水层进行注浆治理。

3.4 副井在608m处注浆施工

3月27日中班开始对1#探水钻孔进行注浆, 先后施工了1~6#探水钻孔并对其进行了注浆, 注浆段高为97m;

1) 注浆压力:取静压的2~3倍, 正常注浆压力取12MPa~15MPa, 注浆终压为3倍, P终=17.1MPa;可根据孔口管周边具体情况酌情进行调整, 注浆结束的标准:注浆终压达到后, 注浆泵吸浆量降低到30L/min, 稳定时间为30min;

2) 浆液配制:此次注浆选用以单液水泥浆为主, 单液浆水灰比为2:1~1:1, 从稀浆到稠浆;必要时采用水泥~水玻璃双液浆, 水玻璃波美浓度为40, 模数32。

副井在砂岩含水层打钻探水和注浆施工:一期施工了7个钻孔 (其中1个检查孔) , 加固止浆垫及孔口管共消耗浆液量58.4m3, 水泥及水玻璃分别为47.6t和9.7t;其中实际有效注水泥浆128.8m3, 共用水泥72.9t, 水玻璃1.51t。

在以后的注浆过程中副井受多孔注浆的影响, 副井底板鼓起, 临时止水垫破碎, 在对1~6#孔近20天的施工注浆过程中, 孔口管歪斜, 已经无法再施工新孔, 注浆也十分困难。14日早班3#和5#孔的涌水量:8.5m3/h、0.8m3/h, 由于3#和5#钻孔孔口管歪斜, 特别是3#钻孔原孔变形严重, 扫孔不走原道, 下止水塞注浆时发生串浆现象, 大量高压浆液从孔口管周边冒出, 出现封孔和孔内注浆无效的情况, 对含水层的注浆没有完全达到目的。为了摆脱目前困难局面, 多次开会进行分析研究, 并寻找新的解决办法。

4 井筒带水施工

为了达到更好的注浆效果, 注浆地点距离含水层再近一点, 决定掘进49m, 离含水层25m处 (井深657m) 停头打钻探水。

4.1 副井凿掘施工

副井自4月15日恢复掘进揭开破碎的止水垫前, 必须形成完善的可靠的排水系统;在副井凿掘施工过程中, 利用井下打灰期间采用淹井法进行了三次实际涌水量测量观测3次涌水量, 分别为19.0m3/h、19.5m3/h、18.7m3/h。涌水量都在19m3/h左右;未出现涌水量有增大的趋势, 按照技术要求掘进到井深657m停止施工, 掘出4.0m (够打止浆垫厚度) 后, 立即按要求施工止浆垫。

4.2 副井带水施工止浆垫

准备好副井止浆垫施工所需的一切材料:

1) 止浆垫厚度的确定:以按照《建井工程手册》中的计算厚度为原则, 止浆垫厚度计算公式:

(Bn为止浆垫厚度, P0为最大注浆压力, r为井筒掘进半径, [σ]为混凝土允许抗压强度)

当止浆垫处在砂质泥岩 (较软岩层) 中时, 考虑安全系数, 止浆垫厚度在原厚度的基础上再增加0.7m, 止浆垫厚度在4.0m。若能在细粉砂岩上打止浆垫时, 利用细砂岩增加厚度, 止浆垫厚度可选择稍薄一点在3.5m。

2) 止浆垫上布置孔数:沿周边布置9个孔, 井中布置1个检查孔, 计10个孔;孔口导向管要避开原来的位置, 在原孔的空档中布置, 离井壁0.5m左右;提前加工好打止浆垫所需要的导向管, 每个导向管周边都要焊接不同方向的5根钢筋横挡, 要使导向管和周边钢筋混凝土形成一个整体。还要备齐打止浆垫所需的2台水泵及滤水井等材料。

3) 止浆垫施工方案:施工的方法是挖够止水垫高度后, 避开原来钻孔位置, 先均匀布置10根直径∮108注浆孔口管, 在井中位置再布置2根直径∮325滤水管, 管长5.5m, 底部0.5m为花管预留进水孔, 此滤水管用于在施工止浆垫过程中排水用, 用钢筋绑扎牢固, 铺设200mm~300mm厚的碎石, 滤水管要深入碎石下200mm, 碎石上铺设防水的彩条布, 然后浇注强度为C40的混凝土4m厚, 并养护3天。在止水垫施工完毕后, 提出水泵上口焊接实, 注浆加固止水垫时再将滤水井内部注实。

5 井筒注浆效果评价及涌水量预计

通过3次打钻注浆, 井筒实施注浆后效果明显, 特邀请安徽理工大学教授对井筒注浆效果进行了评价:

副井在打好的止浆垫后进行第二次注浆施工:二期施工了10个钻孔 (其中1个检查孔) , 注水泥浆135.0m3, 共用水泥85.6t, 水玻璃1.8t。对副井678m~703m段6.8m中砂岩、12.5m粗砂岩进行了2次彻底的封堵, 注浆完成后对实际注浆效果进行了检验, 打了2个检验钻孔涌水量分别为1.8m3/h、3.3m3/h (增补了一个检查孔) , 连续观测10小时涌水量均无变化, 副井井筒注浆段取得了较好的治理效果。

6 井筒恢复施工安全保障措施

2008年6月6日风、副井注浆工作结束, 恢复井筒掘进施工。井筒恢复施工要落实好以下施工安全保障措施:

1) 采取“长探短掘”的方法:坚持“有疑必探, 先探后掘”的原则, 从距含水层法距10m开始, 采取探6m掘4m, 留2m的超前距, 特别是在过含水层时要严格执行采取探6m掘2m, 留4m的超前距, 不得有丝毫的懈怠;

2) 采取少装药“放小炮”的方法:从距含水层法距10m开始, 采取增加炮眼数量, 特别是增加周边眼的数量。做到少装药, 控制装药量, 对周边眼隔眼装药, 发挥泄能眼的作用, 尽量减少爆破时对已经注浆封堵的裂隙的破坏作用, 维护好已形成的注浆帷幕;

3) 确保完善的排水系统:在井下吊盘上安装好2台多级泵, 带闸阀的三通接口与2台多级泵及排水管路连接齐。要做到1台正常使用另1台备用, 其中1台多级泵若出现问题, 不影响另一台多级泵开启运转和正常排水;

4) 中转水箱的容量要满足1台多级泵的吸水量 (流量40m3/h) 的要求。同时风泵、潜水电泵等应配置齐全, 排水量也要和1台多级泵 (流量40m3/h) 相匹配。风泵、潜水电泵在井下要备用多台泵, 还要处在完好状态。水泵用电要有可靠的专用电源, 并达到要求不留后患。

7 井筒注浆实际揭露效果检验及主要经验

7.1 井筒恢复凿掘施工效果检验及实际涌水量

井筒恢复掘进施工后, 过注浆段含水层时, 发现岩层裂隙注浆饱满, 胶结效果较好, 大量的裂隙被水泥浆和化学浆液充填实岩层涌水变小;利用立模版、打灰期间实测井筒涌水量, 风井施工期间涌水量7.4m3/h~15.5m3/h;正常涌水量小于11m3/h;副井施工期间涌水量:6.2m3/h~14.7m3/h;正常涌水量小于9m3/h;此后再也没有因为水而影响井筒掘进施工。

7.2 风、副井筒水害治理, 取得成功主要经验

1) 首先是从公司到矿上各级领导的高度重视;公司高管多次亲临现场指导工作, 并多次作出重要指示;部室领导也多次为注浆施工出主意想办法;矿领导多次召开专题会研究注浆方案, 分析研究注浆施工工艺的合理性, 解决施工中遇到的各种问题和难题, 所有这些都为风、副井井筒成功治理高压水害打下坚实的基础;

2) 坚持了“有疑必探, 先探后掘”的探放水原则。水文地质人员从实际出发, 认真反复研究井筒基岩岩性特征以及可能存在的高压含水层位, 进行了有针对性的探测, 采取了有目的并且行之有效的注浆治理手段;他们脚踏实地、严防死守, 使千米深井施工中遇到粗细砂岩强含水层时, 实现井筒的安全凿掘, 来之不易;

3) 这些成绩的取得主要得力于施工单位的精心施工, 注浆队严格按章操作, 确保了钻孔注浆质量, 为治理深井高压水害做了大量艰苦细致、而卓有成效的工作。

参考文献

[1]方体利, 牛学超.大直径深井施工机械化的设计与应用[J].中国矿业, 2010 (1) .

水害探测篇2

1 方法原理

1.1 矿井直流电法基本原理

矿井直流电法属全空间电法勘探, 其以岩石的电性差异为基础, 在全空间条件下建场, 使用全空间电场理论, 处理和解释有关矿井水文、地质问题, 效果较好。

在工作面巷道顶板探测时, 应用直流电法中的三极电测深装置对顶板进行探测。电测深又称为电阻率测深法, 布极方式与地面电阻率法相似。在同一点逐次增大供电极距, 使勘探深度由浅逐渐变深, 由此可以观测到测点处沿测量深度方向由浅到深的视电阻率的变化规律。通过对反映地电断面的视电阻率测深曲线的分析解释, 可获得深度方向地层电性变化特征。该技术是研究电性分层和水文地质问题的有效方法之一[2,3]。

与地面直流电法不同, 井下电测深是以全空间电场分布理论为基础。在地下巷道中进行电法测量工作, 地下电流通过布置在巷道内的供电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场, 该稳定场特征取决于巷道周围不同电性特征岩石的赋存状态等。

对于均匀全空间, 点电源产生的电场分布特征可用以下关系式表达:

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式中:Um为m点电位;I为供电电流强度, A;Em为m点电场强度;jm为m点电流密度;ρ为均匀空间介质电阻率, Ω·m;L为观测点MN之中点 (O) 到点电源A的距离, m。

由上述公式可计算出岩石的视电阻RS、视电阻率ρS:

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式中:K为装置系数;ΔUmn为电极M与N点之电位差。

1.2 工作面顶板水物探方法

1.2.1 探测方法

为查明工作面顶板含水、导水构造的平面位置及其分布规律, 使用三极探测装置 (与地面三极测深装置类似) , 其井下工作布置及探测原理见图1。

A, M, N三电极布置在所测工作面顶板, 以测量电极MN的中点 (O) 为记录点, 以一定的间隔移动供电电极A, 另一电极B放到“无穷远”处。根据勘探地质任务要求确定最大极距的长度, 同时也要考虑井下施工方便和可能性, 最大极距一般不小于预定勘探深度的1.6倍。测量电极MN大小的选择要考虑信噪比, 供电电极A的移动间隔应考虑分辨率的大小。最大探测深度由防爆仪器的功率决定, 一般不超过100 m。

1.2.2 解释方法

使用全空间电法解释原理, 运用煤科总院西安研究院研制的矿井直流电法二维断面连续解释技术进行解释。主要步骤有:对所测视电阻率半空间—全空间校正, 计算全空间理论曲线, 消除巷道影响, 地层层状电性解释, 电阻率反演, 单独提取视电阻率中的含水信息, 用于解释工作面顶板潜在的导水突水构造 (导水通道) , 含水层分布规律等;立体成图——对目的层不同深度进行类似“CT”成像的断面切片、平面切片, 分离出电性异常区域, 可得到视电阻率低阻异常断面图、平面图, 进行准立体解释和地质推断。

2 应用及效果

2.1 地球物理前提

一般情况下, 导水突水通道呈带状分布, 发育在构造裂隙区, 在多种地质因素的作用下, 发展到一定程度, 其上部含水地层的水沿构造裂隙下渗, 局部有明显淋水或潮湿, 有时使断裂面两侧的岩层发生显著相对位移产生断层, 使岩层的完整性和连续性遭到破坏, 断裂面往往不规则, 充填物较为疏松, 空隙较多。透水性较强的导水通道, 常表现为低阻异常, 当其含水导水, 则其电阻率更低。和正常地层段相比, 该处岩石的电学性质在横向上不连续, 地层岩性和电性会发生突变。根据岩石电性在横向上的变化规律, 可以确定含水导水通道平面和空间上的分布范围。由此可知, 导水通道的电性与正常地段相比有明显的差异。

2.2 矿井水文地质概况

黄陵井田位于陕西省黄陵矿区西北部, 为一倾向北西—北西西之单斜构造, 地层倾角一般为1°～5°, 局部达7°～15° 。黄陵二号煤矿主采2号煤层, 从已知地质资料看, 其顶板主要有3个含水层, 底板无影响采煤的含水层。顶板自2号煤层向上, 各含水层的富水性依次是2号煤层微弱, 直罗砂岩中等, 洛河砂岩最强。各含水层间有隔水层或相对隔水层相隔。洛河砂岩、安定组含水层均在直罗组上段隔水层之上, 该隔水层厚100 m左右, 稳定而普遍, 隔水性能较好, 且各含水层距煤层较远, 一般不参与矿井水补给。

直罗组下段砂岩含水层为侏罗系含煤地层中富水性最强的岩层, 是离2号煤层最近的较强含水层, 该砂岩含水层厚约50 m。但其下至2号煤层为延安组隔水层和相对隔水层, 厚度为60～80 m。抗压强度较大, 开采后断裂带最大高度距直罗砂岩含水层底面的最短距离为25 m, 即直罗组砂岩含水层以下最少有25 m厚完整隔水层。故直罗组砂岩含水层一般不参与矿井水的补给。若存在构造裂隙发育带、潜在导水通道, 顶板水仍然有发生突水的危险。

2.3 工作面水文地质及构造发育情况

107工作面内地层平缓, 倾角为2°～5°, 属构造简单、断裂稀少的单斜构造。但在切眼附近发现大断层, 落差大于10 m, 已经将顶板含水层切割, 其他局部存在小于3 m的小断层或裂隙发育带, 巷道内顶板局部淋水。工作面顶板上方主要有直罗组砂岩含水层、洛河组砂岩强含水层, 各含水层富水性分布不均匀, 若存在导水构造, 顶板水存在下导的危险性。

2.4 物探结果

2.4.1 测点布置

在107工作面运输巷、回风巷沿巷道对顶板进行探测, 自1号辅助运输大巷至切眼走向长1 700 m, 切眼长260 m。沿运输巷、回风巷及切眼每隔20 m布置测点, 共布置183个物理点。

2.4.2 成图方法

在运输巷、回风巷垂直地层往顶板切断面图, 探测深度100 m (包括2号煤层顶板隔水层 (厚约60 m) 、直罗组砂岩含水层约40 m的层位) 。并在顶板上方30, 60, 80 m处顺层切出3个平面图, 分别对应工作面顶板隔水层内、含水层下边界附近、直罗组砂岩含水层内部的3个平面。用于分别解释工作面顶板隔水层内是否完整且是否存在含水低阻异常区、含水层下边界附近是否存在向下导通的含水低阻异常带、直罗组砂岩含水层内富水性分布规律3个平面。

2.4.3 探测结果

沿运输巷、回风巷往顶板切断面, 自2号煤层顶板往上主要有1个高阻层、1个低阻层。其中局部区域如切眼、8号联络巷附近及10—9号联络巷附近有近似垂向裂隙发育带, 将上部含水层的水下导。表现在该区域的巷道顶板淋水。

在顶板上方30 m (隔水层内) 切平面 (见图2) , 在顶板上方60 m处 (含水层下边界附近) 切平面, 均在切眼附近存在1组低阻含水导水异常区 (阴影区) 与切眼外的大断层走向近似平行。同时, 在顶板上方80 m处 (含水层内) 切平面知道, 在该区域的含水层内较大面积含水。说明在隔水层内存在含水导水低阻异常带, 将工作面顶板有效隔水层破坏, 上部含水层导通, 推断为切眼外侧的大断层FX存在伴生的含水导水裂隙发育带, 是该工作面潜在的突水通道。

该井下电法探测结果引起矿方高度重视, 经钻探验证, 结果发现该处异常带是潜在导水 (突水) 通道 (仅钻孔出水约30 m3/h) 。后经采取针对性防治水措施, 该工作面安全采完, 保障了生产安全。

3 结语

1) 黄陵矿区几年来的实践证明, 矿井直流电法探测技术在解决煤矿顶板潜在的导水 (突水) 通道、潜在突水点、有效隔水层厚度、含水层富水性分布规律等方面十分有效, 尤其是在107工作面回采前遇到潜在突水断裂带时, 通过及时探测预报, 避免了一次突水事故, 经济、社会效益显著。

2) 矿井直流电法具有对地下含水导水构造敏感、施工灵活和成图多样性等特点, 对矿井水害防治具有科学指导作用, 值得推广应用。

参考文献

[1]韩德品, 唐恩贤, 王锁成.采煤工作面顶板突水水源电法探测技术与应用[J].煤炭学报, 2006, 31 (增刊) :47-51.

[2]储绍良.矿井物探应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1995.

[3]刘树才, 岳建华, 刘志新.煤矿水文物探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.

[4]张乃宏, 许进鹏.井下电法探测含导水构造在任楼煤矿的应用[J].煤田地质与勘探, 2003, 31 (6) :56-57.

[5]韩德品, 张连福, 龚世龙.采煤工作面内陷落柱超前探测技术与应用[J].煤炭学报, 2006, 31 (增刊) :97-100.

[6]卫金善, 张晋武.综合勘探方法在成庄矿井地质构造探测中的应用[J].中国煤田地质, 2002, 14 (4) :19-21.

水害探测篇3

在矿山巷道掘进过程中,含水构造的存在往往伴随有相当程度的地质灾害威胁,因此需要对掘进头前方一定距离的含水构造进行探测,瞬变电磁法超前探测相对于其他地面物探手段,更为接近探测目标体,具有距离优势,尤其是对含水构造可以做到较为准确的精细探测,从而为水文钻探布置提供了较为可靠的依据,大大降低了水文钻探的施工费用。此外,与其他探测方法比较,瞬变电磁勘探施工方便,工作量小,移动迅速,这也大大减少了人力消耗,从而降低了安全成本。正是适应了这种现实需要,应用瞬变电磁法对掘进巷道及工作面的隐伏含水构造进行探测具有广阔的应用前景[2,3,4,5]。

1 瞬变电磁法工作原理

1.1 瞬变电磁法介绍

瞬变电磁法也称时间域电磁法(简称TEM),它是利用不接地回线或接地线源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。简单地说,瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律,其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次电磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流,断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早期、中期和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。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。

瞬变电磁法探测具有4方面优点,一是由于施工效率高,纯二次场观测以及对低阻体敏感,使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法;二是瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法,且无地形影响;三是采用同点组合观测,与探测目标有最佳耦合,异常响应强,形态简单,分辨能力强;四是剖面测量和测深工作同时完成,提供更多有用信息[6]。

根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点,将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法,可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法。

1.2 仪器设备

矿井瞬变电磁探测仪器选择加拿大Geonics公司的PROTEM-47瞬变电磁系统,该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制,自动记录和存储,与微机连接后即可下载数据并进行后续处理。

2 瞬变电磁法应用情况

2.1 探测试验区地质概况

平朔矿区位于山西省朔州市境内,安家岭矿田位于平朔矿区中南部。地下矿井田位于安家岭矿南北两侧,由安家岭露天矿北侧的安太堡露天矿不采区、安家岭露天矿西排土场下的上窑采区和七里河西边的太西采区组成。矿田以宁武向斜为主干构造,伴生次一级褶曲,其中主要有芦子沟背斜、白家辛窑向斜、二铺背斜以及近南北向的下窑子向斜,除下窑子向斜与宁武向斜斜交外,其余褶曲依次排列在宁武向斜西翼,矿区断裂构造多发育在东南部边缘地带,担水沟断裂层从峙峪谷区穿越并形成一组断裂带,安家岭露天矿田位于平朔矿田的中南部,地层主要受宁武向斜、芦子沟背斜及白家辛窑向斜控制,产状多变,波浪起伏,地层比较平缓,除东部的芦子沟背斜东翼地层倾角较陡(15°~25°)外,其余均在10°以下。

井田地貌为典型的黄土高原地貌,地表为低山丘陵区,冲沟发育,黄土广布,水土流失严重,地表植被稀少。露天不采区位于安太堡露天煤矿矿坑的东侧,安家岭露天煤矿矿坑的北侧,属于两露天矿内排土场和边坡下压煤,储量约1.5亿t。该区主要可采煤层为9号煤层,平均埋深260.27 m,属于气煤,为半亮半暗型煤,油脂光泽,条带状结构,局部地段节孔隙率7.6%,含水率1.55%,密度1.46 t/m3,自然状态下抗压强度为20.5 MPa,坚固性系数1.5。顶底板岩石性质为:直接顶板由砂质泥岩和炭泥岩组成,其中砂质泥岩为灰黑色,平均厚度为4.16 m,炭泥岩平均厚度为2.86 m,致密,较坚硬;伪顶为灰黑色炭质泥岩,厚度为0.07~0.94 m,赋存不稳定,薄层状结构,裂隙较发育;直接底为泥灰岩及泥岩,厚度为0.91~5.13 m,泥灰岩呈黑色薄层状,泥岩岩性欠均一。该区属低瓦斯矿井,相对瓦斯涌出量为2 m3/t,煤层具有自燃倾向,煤尘有强烈爆炸危险性。该区地质构造较发育,主要表现为落差在0.5~2.0 m的断层较常见。

2.2 矿区水文地质特征

本区北、西、南地势均较高,由透水的石灰岩组成,东南地势低,总体为一向东南开口的C字型地形。地表水流方向为北西-南东方向,地下水流向基本与地表相同。地貌形态为低山丘陵,井田位于神头泉域水文地质单元的补给———径流区,七里河河床为井田最低侵蚀基准面。

2.3 矿井充水因素分析

安家岭现主要开采4号、9号、11号煤作为远期主采煤层。安家岭煤矿的天然条件下的充水水源为大气降水、地表水、地下水;天然充水通道为点状岩溶陷落柱通道、线状断层(裂隙)通道;人为条件下的充水水源为老窑水和煤系下伏岩溶水;充水通道为顶板冒落裂隙带、底板矿压破坏带等。

3 探测试验成果及验证分析

为查清迎头前方构造情况及赋水情况,查清煤层顶板煤层离层大体范围。笔者根据探测目的,在此处采用矿井瞬变电磁法进行了超前探测。

1)探测方案。采用的装置方式如前图1所示。本次切眼瞬变电磁法探测选用发射电流为1 A,频率25 Hz,发射线圈2×2 m×64匝,接收线直径为0.6 m,发射-接收间距为7 m。

2)探测成果及分析。第91页图2中,横坐标为迎头前方未掘进区,纵坐标为左右邦,左邦为正值,右邦为负值。本次探测的迎头位约于成果图中的(15,0)处,图中颜色深代表电阻率低值区,即为相对赋水区,颜色浅代表电阻率高阻区,岩体相对不赋水。由第91页图2可见,迎头正前方及左邦相对富水性较强,而右邦富水性较弱。

为验证勘探成果,在距迎头20 m处开设左右钻场,在左钻场开1号孔(倾角10°)、2号孔(倾角25°),在右钻场开3号孔(倾角10°)、4号孔(倾角25°),在1号、2号孔钻进到15~25 m时,涌水量均明显增加,超过25 m后,涌水量慢慢变小,而10~30 m段在探测结果图中反映为低阻区,而在右钻场中的3号、4号孔在整个钻进过程中涌水量较稳定,无明显变化,这也与勘探成果图中的弱富水显示结果相吻合。

4 结束语

试验表明,在合适的勘探深度下,利用瞬变电磁法对水体反映能力较强的特点,对构造的富水性、局部岩溶发育带等水文地质异常进行探测和评价,提高了水文物探的精度和应用效果,为水文孔合理布置提供了可靠的依据,大大降低了钻探费用,从而为煤矿安全生产提供了有利的地质保障。

所有探测结果的解释必须与所在探测地点的地质条件有机结合起来,不然会出现解释错误,因此当一种物探仪器在某地开始探测时,必须有一定的地质探测数据的积累和基准,否则可能会出现大的错误。在探测过程中不可避免地要出现巷道积水、大型金属体及电缆的干扰等情况,在无法移开大型金属体的情况下可以采用几种探测方法进行互相印证,从而保证探测结果的精度。

摘要：介绍了瞬变电磁法的工作原理,利用矿井瞬变电磁技术对顶底板和迎头前方进行探测试验,结果表明瞬变电磁法具有较好的方向性、较高的分辨率等特点,是探测矿井井下含水构造及其富水性的有效方法,可为煤矿水害预测提供科学依据。

关键词：勘探深度,瞬变电磁法,水害预测,矿井水文地质,煤矿安全

参考文献

[1]吴有信.瞬变电磁法及其在煤矿水文物探中的应用[J].西部探矿工程,2006,18(4):66-67.

[2]石显新,闫述,陈明生.井中瞬变电磁法在煤矿独头巷道超前探测中的应用研究[J].煤田地质与勘探,2004,32(Z1):98-99.

[3]霍全明,王玉海,罗国平.瞬变电磁法在煤矿水害预测防中的应用[M].西安:西北工业大学出版社,1994.

[4]李金铭,罗延钟.电法勘探新进展[M].北京:地质出版社,1996.

[5]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998.

水害探测篇4

安里煤矿为新建矿井, 根据勘探报告, 回风大巷距主井150m处将要揭露DF3正断层 (见图1) 。

2 地质、水文地质概况

安里煤矿回风大巷主要位于二叠系下石盒子 (P1x) 中粗砂岩中, 岩性以中粗砂岩为主, 厚度约19m, 含水性中等, 一般含水具可疏性, 但受构造影响区域含水性、导水较好。其上下主要为中厚层砂质泥岩和薄层状泥岩, 裂隙发育, 局部较破碎。

DF3断层为一正断层, 产状为:东西近东西、北倾, 倾角75°, 落差H=20~35m。预计DF3断层将与巷道围岩砂岩裂隙水导通, 形成良好的导水通道, 为巷道掘进的重要水害隐患。

3 DF3断层的探测

首先在距离DF3断层30m左右巷道工作面设置探水钻场, 设计5个超前探测钻孔 (见图2, 1~5#孔) , 采用TXU-150型专用钻机进行超前探查, 查明掘进前方80m、帮距20m、顶板上15m和底板下15m范围岩层内水文地质条件, 查明DF3断层的大致走向、倾向和倾角及其含、导水性, 为断层的治理提供可靠依据 (见图2、图3、图4) 。

4 巷道注浆

根据1~5#钻孔探测情况 (见表1) , 钻孔均出水, 水量5~34m3/h, 水压2.0MPa, DF3断层导水性好, 推测断距约10m。巷道掘进难以正常通过, 特另外补充钻孔 (6~10#) 采用一台2TGZ-60/210型注浆泵进行帷幕注浆。

4.1 注浆孔数目与布置

根据DF3断层含、导性与巷道设计空间位置, 为形成较好的注浆帷幕, 采用沿巷道轮廓线均匀布孔方案 (如图2、图3、图4所示) , 本次连探水钻孔共设计10个孔, 包括1个效果检验孔。

4.2 注浆方式采用压入式注浆

就是把浆液直接压入注浆孔充填裂隙, 这种方式注浆速度快, 压力高, 浆液充填密实, 结石体强度高, 可注入细小裂隙。

另外施工时, 采用分段前进式注浆, 就是从工作面钻孔至断导水带开始, 根据钻孔出水情况, 钻一段孔, 注一段浆, 反复交替进行, 直至通过导水断裂带至设计孔深。

4.3 注浆段长

本次注浆段长为80m, 允许掘进60m。

4.4 浆液扩散半径的预计

注浆过程中浆液的扩散半径随着岩层构造条件, 岩层渗透系数、裂隙率及裂隙宽度、注浆压力、注浆时间而增大, 随着浆液浓度增加而减小。由于浆液在裂隙中的扩散实际上是不规则的, 所以从理论上很难精确计算。根据DF3断层导水性, 推测本次注浆段断裂构造发育, 浆液扩散半径顺构造裂隙方向较大。

4.5 浆液性质及配比