综合物探技术在松藻矿区梨园坝煤矿的应用

　　摘要：近年来全国各地许多煤矿接连发生多起重特大矿井水害事故，2009年12月国家安监总局颁布施行了《煤矿防治水规定》。新形势下矿井防治水工作面临新的挑战，在矿井防治水工作中，岩溶水一直是防治水工作中的重点和难点。岩溶水具有水量大、流速快(来势猛)，补给源大^[1]，突水通道难发现及突水治理困难等特点。恒宇矿业有限公司在梨园坝煤矿+550m运煤大巷岩溶水治理工程中，引入瞬变电磁、MSP超前探测等物探勘探技术的综合应用，解决了突水通道发现难的问题，为该矿井防治岩溶裂隙水找到了新途径^[2]。
　　关键词：综合物探;超前探测;岩溶裂隙;水害防治
　　1 概述
　　重庆恒宇矿业公司梨园坝煤矿位于重庆市綦江区境内，井田面积为5.45km²，采用平硐—副立井—副斜井混合开拓，矿井设计生产能力55万t/a。2006年12月开始进行基本建设，梨园煤矿矿井主采二叠系上统龙潭组(P₂l)M_6-1、M_7-3、M_8-1、M_8-2、M₁₂煤层，煤层倾角30°-55°，煤层赋存深度0-930m。井田整体呈北西倾向的单斜构造，属较稳定煤层，地质构造复杂程度为一类二型，矿井水文地质中等复杂，施工的+550m运煤大巷主要受煤系下伏二叠系阳新统茅口组(P₁m)灰岩水及导水地质构造(导通暗河管道)的危害，涌水量大且稳定。
　　2 +550m运煤大巷顶底板灰岩含水层的地质及水文地质条件
　　梨园坝矿区位于娄山褶皱带的西北部边缘，矿区北段属渝黔南北向构造体系。梨园坝煤矿处于华夏式构造体系的西缘—桑木场背斜的北西翼，地层走向呈北东—南西向，中等倾斜的单斜构造。
　　本区阳新统灰岩岩溶裂隙含水层：为茅口组(150m)和栖霞组(230m)，在岩性与水文地质条件上差异不大，二者之间没有隔水层，可视为一个统一含水层。阳新统灰岩出露于井田东南，呈槽谷地貌展布，走向长7.5km，出露面积约7.4km²，植被茂密，受水条件良好，其汇水面积与出露面积相等。地表溶洞、落水洞及溶蚀洼地等岩溶地貌甚多，多数岩溶发育在茅口组中下部及栖霞组上部，出露泉水8个，泉水总涌水量8073-280m³/h。
　　茅口组灰岩上段顶部为浅棕灰、深灰色厚层状结晶石灰岩，底部夹深灰色泥灰岩，含岩溶裂隙水，含水性强。中段为灰、深灰色厚层-块状细-粗晶石灰岩，含较多燧石结核，性坚硬，含岩溶裂隙水，含水性强。在本地区相邻矿井已造成很大的突水灾害。如：1982年松藻一井茅口巷遇溶洞C6，涌水量约162m³/h;1983年7月C6突水，涌水量3260m³/h，轨道运输巷被淹，矿井停产二十余天^[3];松藻二井在+300m水平遇7个溶洞，最大一个溶洞揭露时涌水量320m³/h，后流量逐渐变小;1984年延伸工程绞车房的穿水点突水，涌水量高达1260m³/h，将延伸工程轨道运输巷淹没，均造成重大经济损失，严重影响了矿井安全生产。
　　+550m运输大巷在煤系底板茅口组灰岩中掘进，距煤系约40-50m，局部受构造影响距离缩短。该巷道由南、北头相向掘进贯通，2008年9月4日+550m运煤大巷南头在落平点+563m处发生前探钻孔突水，先期涌水量约100m³/h。2009年2月19日受掘进放炮影响涌水量突然增大，碛头总涌水量约300m³/h，导致+550m运煤大巷及进风斜井被淹。至2010年8月10日抢险排水成功后恢复掘进施工，影响长达1年6个月。2010年4月4日，+550m运煤大巷北头在开口+793m处施工前探孔过程中出现岩溶裂隙水，总涌水量约120m³/h。
　　3 矿井综合物探技术
　　目前的井巷超前地质预报手段主要有两种:钻探和物探。钻探是巷道地质探测中最常用、准确的方法，但有许多不足，效率低、成本高，其探测结果乃“一孔之见”，很难圈定富水区范围，具有很强的盲目性。而物探具有探测成本低、探测范围广、探测方向性强、施工效率高、对异常地质体敏感等优点，随着电子技术的不断进步，近年来电法、磁法、地震、重力勘探等物探技术及其交叉学科飞速发展。常规物探方法所测试的物性特征参数各异，往往需要其他物探方法的补充和印证，采用针对性的探测方法，对其分析结果进行综合分析解释，使各方法成果相互佐证，取长补短提高物探资料解释精度和可靠性。鉴于+550m运煤大巷水文地质条件复杂性，我们综合选取了MSP巷道超前探测技术和矿井瞬变电磁法对该巷道进行探测。
　　3.1 MSP巷道超前探测技术
　　MSP矿井巷道震波超前探测技术的观测系统是采用空间布置，接收与激发系统布置在巷道两侧围岩中。地震波由特定点上的小规模爆破产生，并由电子传感器接收。当地震波遇到岩石强度变化大(如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现)的波阻抗界面时，在绕射点处部分地震波的能量被反射回来。反射信号的传播时间与反射距离成正比。
　　MSP资料处理过程主要包括：地震记录数据格式转换、地震记录选取、地震数据分析与处理、观测系统几何位置编辑、波速分析、偏移成像等工作。　　

图一 MSP激发与接收方式

　　3.2 瞬变电磁法
　　利用瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，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最为灵敏，并且极具发展前景。
　　矿井瞬变电磁法具有不受接触条件影响，可进行全方位探测，异常响应强，纵横向分辨率高等特点^[5]。既可用于掘进迎头前方，也可用于巷道侧帮、煤层顶底板等探测^[4]，为煤矿在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。
　　4 物探技术在矿井中的应用实例
　　4.1 +550m运煤大巷北头碛头(K3+793m)至碛头前69m处(K3+862m)MSP探测实例
　　现场MSP观测系统的布置主要是进行如下工作：①布置检波器12个，布置在两侧壁内，每侧6个，间距3.0m，埋深1.5m;②爆炸震源4个，布置在两侧壁内，每侧2个，间距18m，埋深1.5m;炸药量250～500g。③成孔采用φ50风钻成孔，单发毫秒雷管，采用启爆器控制启爆。室内资料整理及解释主要经过地震记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、围岩波速分析、地质体偏移成像、综合地质解释等过程。解析结果如图二至图四所示。　　

图二 局部扫描成果图　　

图三 偏移成像成果图　　

图四 速度曲线分布成果图

　　利用局部扫描、偏移成像及速度曲线分布成果图并结合该区域地质资料综合分析得出：
　　从掌子面前方0-17m段波速相对较高，达到2500m/s，岩体相对较完整;从17-57m段波速相对较低，为2000m/s，岩体完整性相对较差，岩体较破碎。
　　在掌子面前方13m处岩体强度变弱，30-40m岩体强度变化较大，裂隙或岩溶较发育，巷道左侧岩体较右侧完整性差，裂隙主导方向在巷道左侧，本段裂隙很发育，47-52m岩体强度变化较大，主要在巷道左侧有裂隙发育。
　　经钻孔验证：1号钻孔在11.44m处见裂隙出水，涌水量为0.1m³/h，2号钻孔在16.67m处出水，在41.16m处见裂隙出水，涌水量为3.14m³/h;3号钻孔在27.24m处见裂隙出水，涌水量为0.2m³/h;钻孔4号在31.28m处见裂隙出水，涌水量为0.44m³/h;5号钻孔在30.56m处见裂隙出水，涌水量为8.16m³/h;补1号钻孔在30.48m处见裂隙出水，与物探预报资料吻合。
　　4.2 +550m运煤大巷北头(P2+324.6m)、南头(P1+948.7m)物探实例
　　梨园坝煤矿+550m运煤大巷南头掘进到P1+948.7m处，因+550m运煤大巷北头P2+324.6m出现突水后，南、北头均停止了施工，整个+550m运煤大巷南、北头剩余52.79m贯通。为了确保该巷的顺利贯通,梨园坝煤矿引进了对探水敏感的矿井瞬变电磁勘探技术。
　　本次工作选用本安型矿井瞬变电磁仪。4月11日、12日在井下分别对巷道两帮进行了现场数据采集，在巷道共布置测点154个，点距2m，测线长300m(在南头由碛头向后方巷道两帮布置两条50m测线,在北头由碛头向后方巷道两帮布置两条100m测线)，由于南头碛头有大量积水加之注浆堵水后留有孔口管，未能在碛头方向做瞬变数据的采集工作。室内数据处理采用Mtem2.0软件，该软件除集成了经典的时间域瞬变电磁法勘探理论、技术与方法外，还添加了信号校正方法及更为独特有效地信号分析处理方法，最终形成了巷道两帮的超前探测电阻率等值线图。
　　+550m运煤大巷南头(P1+948.7m)北头(P2+324.6m)两帮超前探测电阻率等值线结果示意图，如图六。　　

图六 矿井瞬变电磁等值线图

　　根据+550m运煤大巷南头(P1+948.7m)北头(P2+324.6m)两帮超前探测电阻率等值线图，结合该区域地质资料综合分析得出(从冷色调到暖色调表示阻值从低到高的变化趋势)：
　　南头：巷道左帮有一低阻条带(蓝色R)，推测为裂隙导水带。巷道右帮迎头退回28m-50m，巷道帮挂有多根电缆，防爆开关及风、水管等导电导磁物体存在，使该帮部分数据受到严重干扰，导致该帮出现一低阻W区(蓝色)，为假异常区域;R区推测为裂隙导水带，根据现场的地质条件和物理数据分析该区域含水的可能性较大，需要重视。
　　北头：W1和W4(蓝色区域)为低阻异常区域，根据现场情况分析，推测为干扰因素造成的假异常;W2和W3为低阻区域，结合现场实际情况，推测为巷道内导电导磁物体干扰因素造成的假异常。综合建议在南头右帮完成巷道转向与北头贯通。
　　经钻孔验证(南头)：在P1+937.7m处巷道左帮共施工26个钻孔,其中1号钻孔在26-60m段为裂隙带;4号钻孔65m遇裂隙，涌水量为5-10m³/h;7号钻孔在7m遇裂隙，涌水量为5-10m³/h;16号钻孔在18.24-20.52m处，揭露为岩石破碎带;24号钻孔在64m处遇裂隙，涌水量为25m³/h。巷道右帮共施工14个钻孔，均未出现异常情况，钻孔施工结果与物探预报吻合(详见附图超前钻孔成果图七)。
　　5 结语
　　通过梨园坝煤矿+550m运煤大巷的物探实践证明，在煤矿地质灾害防治中使用综合地球物理勘探方法对引起地质灾害的原因进行查明，做到了“技术可靠、经济合理”。
　　由于我国西南地区碳酸盐岩层广布，岩溶十分发育^[6]，地质条件复杂，灾害类型多，分布面广。单一地球物理方法往往在勘探对象、勘探深度、分辨能力与解决问题的全面性上存在某些不足。在工程实践中，必须全面系统的分析煤矿地质灾害与地质风险防治中的地球物理特征，合理布置综合物探方法，从不同物性特征研究煤层结构与岩性、水文地质、陷落柱与煤层小构造，采空区空间形态分布等地质问题，同时查明与水文地质条件和瓦斯突出条件密切相关的煤层顶、底板岩性等。实践表明，综合物探可以为地质灾害防治提供可靠的地质资料。
　　煤矿采掘地质保障中的综合物探技术是煤炭工业和煤炭企业发展的保证。近年来国有或地方煤矿连续发生重、特大灾害事故的惨痛教训表明，安全投入和因灾害事故造成的经济损失已成为煤矿生产成本中不可忽略的重要组成部分。在提倡科学发展和建设和谐社会的今天，提高煤矿安全生产保障程度，防治煤矿地质灾害及地质风险已成为煤矿企业安全工作的重点^[5]。运用综合物探手段开展煤矿采掘地质保障技术的研究工作，对于煤矿地质灾害防治与地质灾害风险超前预测有着重要的现实和经济意义。
　　参考文献：
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　　[4]刘志新，于景邨，郭栋.矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用[J].物探与化探，2006
　　[5]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探.北京：地质出版社，2000.
　　[6]罗鉴银，傅瓦利.岩溶地区开凿隧道对地下水循环系统的破坏—以重庆市中梁山为例.西南农业大学学报，2005
    作者简介
　　廖黄飞(1987.02 )，男，重庆工程职业技术学院矿山地质专业。工作于重庆恒宇矿业有限公司地质测量部,主要从事矿山地质及矿井物探工作。