立井井筒掘进地质条件综合探查与分析

2021-02-04郭立全张平松李圣林胡富彭

煤炭工程 2021年1期

郭立全，张平松，李圣林，胡富彭

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.矿山地质灾害防治与环境保护安徽普通高校重点实验室，安徽淮南 232001)

煤矿立井是矿山生产的咽喉，其施工条件恶劣，施工难度大，掘进过程中会遇到较多复杂特殊地层或地质构造[1，2]，易引发井筒、岩壁涌水，从而导致突水、侧帮垮塌等事故，给井筒的安全掘进造成严重威胁[3]，因此，需要准确地对井筒掘进前方含水构造进行超前探查预报[4-8]。利用地球物理方法对井筒掘进施工过程中含水构造的超前探查预报前人已做过一定的研究。其中，谢焰等在井筒掘进工程实例中进行了井筒电法探水试验，由于测试方法得当，资料准确，减少了钻探工程量，取得了明显的经济效益[4]。张五兵等以结合新集二矿井筒探水注浆工程，采用电法及超声波综合物探方法对井筒主要含水层进行了超前跟踪探测，并对注浆质量进行了评价，为井筒施工提供了安全保证[9]。赵利军等基于贵州新田矿井井筒在掘进过程中所遇到地下暗河的实际发育情况，采用反射共偏移探测方法，结合钻探技术查明了暗河赋存情况，实现了井筒的安全快速优质施工[10]。向龙等在常规三维地震采集基础上，采用小面元、多次覆盖极大提高分辨率、加宽频带、加强高频的技术，探测了黑拉嘎煤矿井筒掘进前方的地层性质及其地层含水性，并结合勘探报告水文地质资料，明确了矿井井筒开拓方案[11]。Patterson、Stephen Prensky等提出了远探测纵波成像技术(DCWI)，该方法采用偶极源产生的低频纵波提高探测深度，可对距离井筒30m远的裂缝和结构特征实现成像处理，同时降低了衰减影响。DCWI与垂直地震剖面和井筒成像测井结合，可以实现对复杂井筒和地层结构的精细表征[12，13]。以上研究都对井筒掘进施工提供了可靠的技术保障，表明了地球物理方法对井筒掘进含水构造超前探查预报的可行性和有效性。另外，由于单一地球物理方法在数据处理与解释的过程中存在认识多样性与结果多解性的问题，所以，为提高地球物理探测地质解释的准确性，需要进行多参数的综合物探。

本文针对单一地球物理方法存在认识多样性与结果多解性的问题，根据井筒掘进地质条件和地层岩石物理特性提出采用反射地震法和瞬变电磁法相综合的多参数综合物探方法对淮南潘一煤矿主井井筒掘进前方F32断层的准确位置及富水情况进行超前探测，并辅以数值模拟和物理模型试验对井筒掘进前方地质条件超前探查进行了系统研究，为矿井设计及井筒安全施工提供有效的技术保障。

1 工程概况

淮南潘一煤矿主立井井筒在掘进过程中将遇到F32断层，该断层的具体位置将对井筒中南北煤仓位置设计产生重要的影响。根据初始设计，南北煤仓分布在-723～-760m段，而通过前期地质勘探，推断出F32断层的大概位置在-760～-800m段，若断层准确位置发生偏差将会对主井工程设计带来影响。为更好地指导生产，需要利用物探手段对F32断层进行超前探查，确定其精确位置以指导后续施工。

2 井筒掘进地质条件超前探测模拟

2.1 反射地震波法超前探测数值模拟

反射地震波法超前探测是在设计的震源点用少量炸药激发产生地震波，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带或岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，被高灵敏度的地震检波器接收，获得探测方向有效的反射波组，从而对立井井筒前方不良地质体作出超前探测[14]。由前期地质勘探资料得知，F32断层位置在-760～-800m段，为了得到反射波法对立井井筒掘进前方地质界面响应特征，设计了超前地质模型，如图1所示。

图1 井筒掘进前方地质界面模型

对数值模型进行设计时，由于井筒空间有限，地质条件相对复杂，其地震波场也较为复杂，所以，为在数值模拟中突出F32断层的响应特征，本文对数值模型进行了简化，只保留一地质界面R1，与F32断层相对应。井筒超前探测现场探测介质为粉砂岩，进行现场实验利用直达波计算出纵波速度为2300m/s，所以地质界面数值模型Layer 1层介质纵波速度设计为2300m/s；另外，为增强R1界面波阻抗差异性，提高反射地震波法探测效果，设计Layer 2层介质纵波速度为3500m/s。立井井筒掘进前方地质界面模型设计参数见表1。

表1 立井井筒掘进前方地质界面模型参数

采用有限差分波场模拟方法进行数值模拟，震源选用主频60Hz的Ricker子波，完全匹配层(PML)吸收边界条件。数值模拟成果如图2所示，图中立井井筒掌子面前方80m位置存在一能量较强的反射波，为R1地质界面反射，与模型设计一致。分析认为，该方法获得了井筒掘进前方有效的反射波组，该波组与设计地质界面对应良好，可为现场探测提取有效反射波组提供依据。

图2 立井井筒掘进前方地质界面模型模拟偏移剖面图

2.2 瞬变电磁法超前探测物理模拟

瞬变电磁法是通过向井筒掘进前方发射脉冲磁场，断开发射回线中的电流后，观测二次涡流场随时间的变化特征，来得到前方介质的电性、规模、产状等，从而进行目标异常体探测的方法[15，16]。为了得到瞬变电磁法对井筒掘进前方地层不同富水情况下的响应特征，用于验证瞬变电磁法基于电性特征分析可以判断构造富水特征的有效性，设计了物理模型试验。模型为底部直径1000mm、高1200mm的圆柱体，采用砂石加水模拟构造富水特性，在模型中设计有注水孔，注水孔底端距离模型底部100mm，每次注水时，水先在模型底部扩散，同时，由于模型中砂石紧密性等赋存状态不同，所以每次加水后水并不均匀分布于整个模型，即注水后，模型中会有砂石处于不含水或相对少水状态，此时不含水或相对少水砂石相当于围岩，所以，模型中砂石加水，既模拟了含水构造，也模拟了围岩体。现场物理模型试验测线布置如图3所示。

图3 物理模型试验测线布置

利用瞬变电磁法进行探测，对砂石中进行不同水量置入，通过加水水量大小来改变模型模拟状态(即每次加水后，模型中模拟的构造及围岩状况都会发生改变)，从而进行探测分析，可以得到瞬变电磁法对于井筒掘进前方不同地质条件赋存状况下的电性响应特征，为构造超前探测及其富水特征判断提供参考。经过试验，获得了模型不同水量时的响应特征，如图4所示。从图4中明显看出砂石的电阻率值随着水量的增加而出现不均匀降低，且模型底部砂石电阻率先降低，与水在模型中的扩散特征(水在模型中是不均匀扩散的，整体从模型底端向顶端扩散)一致，得出砂石的电性特征与其含水特征具有较高的相关关系，验证了瞬变电磁法基于电性特征分析可以判断构造富水特征的有效性，表明瞬变电磁法对含水构造超前探测是可行且有效的，可以通过其电性特征综合分析判断构造富含水特性。

图4 物理模型试验电阻率剖面图

3 现场探测应用

3.1 探测布置

针对研究区需要解决的地质问题，基于模拟试验结果，采用反射地震波及瞬变电磁综合地球物理勘探方法技术，对主井井筒中F32断层位置进行超前探测与预报。其中反射地震波法在井筒底板布置超前探测测线，其测线长度达7.6m，如图5(a)所示。瞬变电磁法现场探测布置如图5(b)所示，沿着正北方向从井壁往下至底板测点，完成测试点12个，测点位置均布置在底板，且横向上属于同一条直线，其中竖直向下探测方向测点4个，方向不变，位置改变，均匀分布在底板中轴线；从正北方向往下测点8个，只改变探测方向，不改变探测位置，位于井壁与底板中轴线交叉点。

图5 现场观测系统布置

3.2 探测结果分析

现场探测时井底深度为724.5m，井筒掘进方向超前探测结果如图6所示。从反射地震波法偏移剖面中看出，在井筒轴心线方向85.5m处具有一组强的能量条带，为反射异常界面，判断该处为F32断层位置。在瞬变电磁法电阻率剖面中，色彩代表岩层的电阻率值，发现在剖面中电阻率呈倾斜条带分布，与断层延伸方向一致。同时在井筒轴心线方向85m处出现一条带状低电阻率异常区域，电阻率值为18～20Ω·m，但其上、下部岩层电阻率值为24Ω·m以上，且该异常低电阻率条带倾向与F32断层倾向近于一致，分析为F32断层构造带影响结果，辅助判定出了断层带的位置。另外，断层带中电阻率值相对变低，但其基值较大，为18Ω·m以上，判断F32断层含水性不强。