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东北办事处 白永利
1 工程概况与任务
1.1 工程概况
龙煤某煤矿-310立井石门大巷掘进过程中顶板及侧帮淋水严重，且涌水量几年未曾下降，对该矿井下安全高效生产造成严重影响。-310巷道存在F2大断层发育及其他未知断层发育，基底花岗岩粒岩层含水，可能存在断层及裂隙导通基底花岗岩粒岩层现象，且存在长期补给。-310立井石门上部-170巷道掘进至今没有淋水、渗水发生,为保证安全生产，需要对-310立井石门大巷富水情况进行查明。地质测量部应生产需要，采用井下瞬变电磁法、井下浅层反射地震法、化探法对该区域进行综合探查，以获取-310立井石门周边富水性，并为疏放水工作提供技术依据，为煤矿安全高效生产提供保障。
1.2 地质任务
本次采用井下瞬变电磁法、井下浅层反射地震法、化探法来探测-310立井石门上部富水情况。主要探测任务为：
1)查明主要富水异常区分布区域；
2)查明富水水源类别及位置；
3)查明导水通道主要发育区域；
4)提出打钻疏放水、注浆等指导性建议。
2 方法及原理简介
2.1 瞬变电磁法
瞬变电磁法或称时间域电磁法，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电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下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、中和晚期。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。
图1 瞬变电磁法工作原理示意图
2.2 共偏移反射地震法
反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理，在单边排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统(如图2)进行数据采集。探测时，首先针对测试区域地震地质条件利用单边排列方法进行现场噪声调查，对排列记录分析对比，确定最佳共偏移接收窗口，并按一定的步距同步前移完成探测任务。只要地质体中存在波阻抗差异，就会产生反射回波，且反射能量受界面特性控制，这是进行地质体分辨的前提。通常在现场实际工作中，常用密集型双道共偏移数据解决实际问题。它在对地质体的连续追踪中发挥着重要的作用。
 图2 共偏移多次覆盖示意图 2.3 化探法
地下水在形成过程中，由于受到含水层沉积期地层岩性、建造和地球化学环境等诸多因素的不同，而使储存在其间的地下水离子种类和含量不同，水源分析是一个涉及到水文地质、工程地质、开采条件、岩石力学等诸多因素的复杂问题，需要借助于防治水知识，运用合理的推理方法，综合考虑影响突水的多方面因素，建立水源识别专家系统，从而提高水源识别准确性。根据各个矿区各个含水层地下水化学成分分布特征，可对水源进行分类，并建立一个样品水源数值特征数据库。通过分光光度和离子电极检测系统等快速测定水样的化学成分，并运用灰关联评价、模糊评判、聚类分析和神经网络等算法，与样品水源数值特征数据进行对比，矿井突水水源识别提供判定依据。
3 施工方案
3.1 瞬变电磁施工布置
表1 瞬变施工统计表  图3 -308至-218瞬变电磁勘探区域平面图 本次-310立井石门富水性探查采用YCS512矿用本安型探水仪，并在-310立井石门及周边巷道进行施工。自K18点位置开始布置施工，并沿巷道里部向外部施工，物理测点间距10m，共布置物理测点数24个，每个物理测点沿垂直巷道左帮→垂直顶板→垂直巷道右帮方向每10°布置一个探测方向，共布置19个探测方向，本次探测共采集物理数据456组。施工统计表见表1、图3勘探区域平面图、施工平面示意图见图4、图5立井石门瞬变电磁勘探施工剖面示意图。
 图4 立井石门瞬变电磁勘探施工剖面示意图  图5 施工示意图 3.2 共偏移反射地震施工布置
采用一发一收的共偏移距反射共偏移地震勘探方法，自K18点开始向外侧布置，测线长度198.5m，且分成两段，第一段测线长度72.5m，第二段测线长度126m，布置测点(以中心点计算)398个，第一个中心点为K18点位置，中心点间距0.5m，源检距1m，移动步距0.5m，通道增益36db，每个位置激发一次，共激发398次，激发与接收方向均垂直于巷帮。图6立井石门地震勘探区域平面图、地震施工示意图见图7、地震施工工程量统计表见表2。
 图6 立井石门地震勘探区域平面图  图7 立井石门地震勘探施工示意图 表2地震施工工程量统计表  3.3 化探测试方案
对-310立井石门渗、淋水进行快速采样，并在规定时间内送至实验室进行测试，主要通过光吸收法、电极法二种类型的化验方法进行化验，根据对比库从而确定水质类型，辅助判断水源。
4 成果分析
4.1 瞬变电磁成果分析
若地层分布稳定、不受低阻富水区及含导水构造控制，则目标层位的视电阻率平面分布是较为稳定、近似均匀的，表现为等值线稀疏、平缓和渐变；反之，若地层受富水区、含导水构造控制时，电性分布的均衡性被打破，平面图上表现为圈闭、密集条带等变形，即异常区域。视电阻率拟断面图中，用不同的颜色表示不同的视电阻值，从冷色调到暖色调表示视电阻率逐渐升高的规律分布，变化顺序为深蓝→浅蓝→绿色→黄色→红色，且视电阻率值越低则代表越有可能存在低阻异常，存在富水性的可能就越大，富水区或低阻干扰造成的低阻区域用蓝色表示，其他颜色表示相对高阻区域，这样可据此直观确定相对低阻异常体的空间赋存情况和异常强弱程度。图8～图17为经过YCS512矿用本安型探水仪配套软件处理后形成的-310立井石门-308～-218标高位置一维水平横向视电阻率等值线切片图。图18为综合三维切片图。结果图中坐标(0,0)为K18点位置，横轴正向代表立井石门平行向外与K18点的距离；横轴负向代表立井石门平行向里与K18点的距离；纵轴正向代表立井石门垂直方向与K18点的距离；纵轴负向代表立井石门垂直向里与K18点的距离；三维途中垂向-3088～-218代表水平标高。
分析图8～图18可得如下结果：
1)勘探范围内横向0～160m、纵向-40～120m、垂向标高-308～-218区域为视电阻率值较低，为相对低阻异常区。
2)视电阻率低值区域段中横向30～90m段、130～170m段为主要低值明显异常区。
 图8 -308水平横向视电阻率等值线切片图  图9 -298水平横向视电阻率等值线切片图  图10 -288水平横向视电阻率等值线切片图  图11 -278水平横向视电阻率等值线切片图  图12 -268水平横向视电阻率等值线切片图  图13 -258水平横向视电阻率等值线切片图  图14 -248水平横向视电阻率等值线切片图  图15 -238水平横向视电阻率等值线切片图  图16 -228水平横向视电阻率等值线切片图  图17 -218水平横向视电阻率等值线切片图  图18 -310立井石门-308~-218三维切片图 4.2 共偏移反射地震成果解析
共偏移距反射地震勘探波列图中，勘探范围内探测介质波阻抗差异位置(即地质条件突变位置)地震波同相轴发生错段、缺失、畸变等波形异常，波形异常延展情况反映了波阻抗差异界面延展情况。据此确定异常位置及其发育情况。途中横坐标表示测线布置距离，单位为m，纵坐标为时深转换后的深度距离，单位为m。图19～图21为本次探测地震波信号经过反射共偏移法偏移成像处理的剖面，本次偏移成像成图地震波速度采用经验值2500m/s。其中图19为-310立井石门第一段偏移成像剖面分析结果图、图20为-310立井石门第二段偏移成像剖面分析结果图、图21为-310立井石门综合偏移成像剖面分析结果图。
分析偏移结果图19～图21可得如下结果：
1)本次勘探区域内共解释13处异常，按测线布置方向标记为YC1#～YC13#，并以粉色线条表示构造发育形态，具体见表3地震勘探异常解析表：
表3 地震勘探异常解析表  图19 -310立井石门第一段偏移成像剖面分析结果图  图20 -310立井石门第二段偏移成像剖面分析结果图  图21 -310立井石门综合偏移成像剖面分析结果图 4.3 化探成果解析
4.3.1 水化学数据处理
通过测定测定各阴、阳离子、pH值、矿化度、硬度、碱度等，其中阳离子：K+、Na+、Ca2、Fe、Mg2+；阴离子：Cl-、SO42-、HCO3-、CO2-、NO2-；其他：pH、总碱度(CaCO3)、CO2等，与该矿水化学数据库对比追踪可以得到水样对应的水源。
4.3.2 水化学处理结果
通过分析对比得到：-310立井石门渗、淋水水源为基底花岗岩粒岩层富含的水。水样化验成果表见表4。
表4 -310立井石门水样化验成果表  5 结论及建议
5.1 -310立井石门水情水害综合探查结论
通过采用矿井瞬变电磁法、井下浅层反射地震法、化探法对-310立井石门大巷勘探区域内进行综合探查与分析，得到如下结论：
1)勘探区域内断层、裂隙灯构造发育，本次勘探工作中地震勘探主要解析13处可能构造异常区，其中主要异常区为YC4#～YC10#,即测线60-150m段，构造发育集中，且伴有导水现象。
2)勘探区域内导含水表现明显，本次勘探工作中瞬变电磁勘探主要解析横向0～160m、纵向-40～120m、垂向标高-308～-218区域为视电阻率值较低，为相对低阻异常区。其中视电阻率低值区域段中横向30～90m段、130～170m段为主要低值明显异常区。
3)通过水化学方法对-310立井石门水质进行化学分析，并与该矿水样库对比得到，该区域渗、淋水为基底花岗岩粒岩层含水。
4)综合分析可知，-310立井石门存在断层(F2及其他断层)、裂隙等构造导通基底花岗岩粒岩层，基底花岗岩粒岩层富水性明显，却具有长期补给，且勘探范围内存在构造导水主要集中区域(以瞬变勘探异常区表示：横向0～160m、纵向-40～120m、垂向标高-308～-218)，需要对该区域采取进行打钻疏水、注浆等措施，确保安全生产，其他为在勘探区域范围内根据实地质情况及生产需要也需要执行进行打钻疏水、注浆等措施。
5.2 建议
1)建议矿方对本次综合探查结果异常区进行钻探验证，特别在地震60～150m范围、瞬变20～150m范围进行全方位钻探验证及疏放水，结合物探、化探与钻探结果综合分析，为煤矿井下注浆等安全生产工作提供有效技术依据。
2)建议矿方根据富水区验证情况严格按《煤矿防治水规定》完善排水系统、实施或调整疏放水、注浆等措施。
3)本报告中未尽事宜请遵照《煤矿安全规程》和《煤矿防治水规定》执行。
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