首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 并行电法在麻子塔风井区注浆治理后的效果验证分析

并行电法在麻子塔风井区注浆治理后的效果验证分析

2025-03-08 18 上传者：管理员

摘要：前期在西曲矿麻子塔风井工业场地实施了地面注浆治理小窑破坏区，为检验注浆治理效果，对工作区开展并行电法孔中CT方法物探工作，获得较好的并行电法数据，通过对这些数据进行精细地处理和成像，以查明工作范围内路面以下的视电阻率分布特征，圈定视电阻率值异常位置。通过本次物探成果可知，工作区范围内有3个异常区域，探测区域内整体视电阻率值较高，注浆治理效果明显。

关键词：
地面布置钻孔
并行电法
注浆治理
电法探测
电阻率
加入收藏

随着西曲矿矿井的发展和延伸,南五､南六､南七､南八盘区通风路线的增加,在现有通风设备的帮助下,很难满足上述盘区下组煤开发的用风需求｡为此,山西西山煤电股份有限公司决定在西曲矿麻子塔村附近一配煤场新建1个进风立井和1个回风立井｡

区域内小窑破坏较为严重,前期对场地内破坏区进行了地面注浆治理,为检验治理效果,这次任务通过在地面布置钻孔,并利用孔中并行电法探测技术展开探测工作,再进行孔间并行电法联合反演,得出三维视电阻率体的数据｡随后,研究三维视电阻率体的分布特征,综合地质资料进行分析,确定视电阻率值异常位置,进行注浆治理效果验证,以便为下一步工程提供更为客观实际的技术资料｡

1、麻子塔风井场地基本情况

本次探测的西曲矿麻子塔风井场地,其小窑采空区的形成历史可追溯到20世纪70—90年代,期间经历了多次开采活动,该场地形成了多个采空区域,为了详细了解采空区的分布情况,结合回风立井先导孔的钻进资料,确定了小窑采空区主要涉及2+3#煤层和4#煤层,这2层煤层的开采活动对场地的地质结构造成了显著影响｡

根据前期采空区XQ-1#~XQ-3#钻孔揭露地层资料,发现拟建风井场场地下至4#煤层底板深度内未揭露地下水,目前采空区不存在充水情况｡XQ-2#､XQ-3#孔岩芯相对较完整,无破碎地带,但XQ-1#钻孔在12.60~23.75m和57.90~77.00m较破碎,且岩芯采取率和ROD值较低,显示出该区段地质条件较为复杂,场区内的主要建筑物下方均有不同程度的采空区域分布｡由于场区边坡和地基地质情况复杂,地层不均匀､不稳定,为确保建筑物的安全和稳定,已对主要建筑物地基､基础及结构进行了加强处理｡

在治理小窑破坏区方面,前期在麻子塔风井工业场地进行了地面注浆工作｡通常情况下,采空区与周围介质的电阻率存在显著差异,小窑破坏区经过注浆治理后,电性上总体呈高阻反应,然而在注浆不密实的地方,如果含水的情况下,电性上则为低阻反应｡

2、野外施工方法

2.1并行电法孔中CT方法原理

电法勘探是通过研究地下介质体的视电阻率差异来揭示地质结构的一种地球物理方法,是进行二维地电断面测量的一种视电阻率法物探技术｡不同组分的岩石(土)具有不同的电阻率,即使组分相同的岩石,其电阻率也会因结构和含水情况的不同而存在明显差异｡

电法勘探技术是从早期的常规电法(如电测深法､电剖面法),发展到后来的高密度电法,再到如今的网络并行电法[1]｡并行电法为直流电阻率法的一种,基于高密度电法发展而来,并集成了电测深法和电剖面法的功能,采用多装置和多极距的高密度组合,以及利用多次覆盖叠加的优点,可以探测测线外围一定范围的地质信息,最大侧向探测距离为电极控制段的长度[2]｡

通过利用并行数据采集技术,在采集数据时能够实现同时性和瞬时性,从而获取到供电时刻测线上的全部电位曲线(见图1)｡

图1网络并行电法采集电位图

这样一来,电法图像呈现出更加真实合理的特性,显著提高了视电阻率的时间分辨率｡根据电极观测装置的不同,可以将并行电法数据采集方式分为AM法和ABM法[3]｡这2种方法适用于不同的地质勘探需求,采集的数据可用于高密度电阻率法和高分辨地电阻率法的解释,同时也可用于综合数据成像解释｡

在野外施工中,将电法测线从钻孔底部一直延伸到钻孔口(见图2),通过使用地面上2个或更多钻孔,可以获取钻孔之间的电性分布情况｡通过提取供电电极和测量电极之间的电流电位信息,进行孔间三维电阻率反演,从而获得空间立体电性分布图｡

图2跨孔并行电法现场布置图

2.2电法仪器设备及试验工作

本次探测采用YBD12网络并行电法仪,应用全电场观测技术,在并行电法的实施过程中,智能电极与网络系统的联合发挥了重要作用｡通过控制供电与测量之间的时序关系,能够自动采集所有测点的自然场､一次场､二次场的电压和电流数据[4-5],极大地提升了数据采集效率与准确性｡

进行野外采集的前提是通过试验选择合理的工作参数,工作参数将直接影响到野外数据采集结果｡并行电法试验内容主要有采集方法和采样时间的确定,考虑到探测地点为松散层地面以下的钻孔,且钻孔深度达到80m左右,经过多次试验和比对,最终确定了采用AM法进行数据采集,在采样时间的选择上,经过试验确定了2个合适的范围,即20~200ms和50~500ms｡尽管探测场地情况复杂,存在多处厂房､钢筋堆积及围墙遮挡等干扰因素,但电法数据采集时无明显工频干扰,数据采集满足要求｡

3、探测现场布置及数据采集

根据并行电法试验工作获得的参数,在西曲矿麻子塔风井场地探测区段内进行了细致的规划,现场共设计13个钻孔,在实际施工过程中,由于场地条件､地质因素以及施工难度的限制,最终实际完成钻孔10个,统计电法探测工作量,如表1所示｡

表1并行电法孔中CT工作量统计表

跨孔电法主要利用现场钻孔进行测线布置,因仪器参数及观测系统的限制,每次数据采集利用2个钻孔进行穿透,在现场探测中,共进行了16次孔间数据采集,由于场地现有条件和地质条件因素约束,ZK1､ZK3和ZK5钻孔无法施工,为保证数据质量,在地面布置了3条电法测线,分别命名为DC1､DC2和DC3,它们相互交织,形成了一张覆盖整个探测区域的测线网络｡通过这一网络,能够更加全面地了解地下岩层的电性分布特征｡

4、电法数据处理及解释

本次数据处理,基于钻孔并行电法三维空间观测系统,采用全三维空间反演方法,这种方法通过对采集到的电位数据进行反演计算,可得到钻孔之间的电阻率分布情况,进而查明探测区域内的三维电阻率分布结果[6]｡同时进行了不同深度的空间投影成图方法,改变了传统切片按照不同的水平深度进行提取,结果表达更直观｡

4.1电阻率CT跨孔剖面解释

本次探测共涉及10个钻孔,每个钻孔深度均为80m,由于多数钻孔底部存在淤泥等杂质,导致部分电法测线深入到孔底,所以本次探测成果深度主要控制在78m左右｡下文选取了几组具有代表性的跨孔剖面进行辅助解释｡

(1)ZK11~Z7剖面结果分析

图3为ZK11~ZK7钻孔之间的剖面图,由反演结果可见,该剖面中视电阻值分布为0~190Ω·m,在孔深40~70m内,存在1处高阻异常区域GY1,异常区域在纵向上发育跨度较大,由于小煤窑开采年代久远,随着时间的推移,4#煤层采空区上部覆岩在自身重力作用下向下垮落,从而导致岩体内部产生裂隙并向上发育,最终导致围岩电阻率升高｡通过综合分析,认为这一异常区域是4#煤层采空区注浆治理后的电性反应,采空区经过注浆治理后整体阻值升高,表明该区域注浆治理效果明显｡

图3ZK11~ZK7钻孔剖面图

(2)ZK10~ZK13､ZK13~ZK2剖面结果分析图4为ZK10~ZK13钻孔和ZK13~ZK2钻孔之间的剖面图,从反演结果来看,该剖面中视电阻值分布同样为0~190Ω·m,在钻孔孔深40~75m内,均存在相对高阻区域GY2和GY3,与周边电阻率差异明显,且从图4中可以看出,这2处异常区域有相互连通的趋势｡

图4ZK11~ZK13和ZK13~ZK2钻孔剖面图

GY2异常区域主要分布于ZK12钻孔周边,该异常区域阻值相对较高,分析其形成原因可能受之前2+3#煤层采空范围影响所致,目前该区域已完成注浆治理,电阻率相对较高可能为注浆凝固体的综合响应所致｡GY3异常区域主要分布于ZK12､ZK10､ZK13钻孔控制范围周边(设计进风井附近),异常形成原因主要是受4#煤层采空区影响所致,采空区经过注浆治理后整体阻值升高,表明该区域注浆治理效果明显｡

4.2电阻率CT平面解释

为了更加深入且直观地反映底部采空区的分布范围及形态,通过联合地面测线和钻孔内的测线进行反演,得到了详尽的视电阻率三维数据体｡图5(a)和图5(b)分别为视电阻率3D数据体Voxler展示俯视图和正视图｡从这2个视图中,可以清晰地看出,场区内Z7~Z11钻孔之间以及进风井下方一定范围内,均存在显著的异常等势体｡这些异常等势体的存在,直接指向了采空区的可能位置｡

图5视电阻率3D数据体

为了进一步确定小窑采空区的平面分布形态,在三维数据体中提取出了2个不同深度的视电阻率水平切片面,分别为地表下65m(2+3#煤)和73m(4#煤)(见图6和图7),这2个切片提供了不同深度层次的采空区分布信息,有助于更全面地了解采空区的空间结构｡

图6孔深65m视电阻率水平分布切片图

图7孔深73m视电阻率水平分布切片图

根据反演电阻率结果,发现测区内整体视电阻率在10~270Ω·m,结合现场调查结果及钻探资料,进一步确定了不同电阻率值所代表的治理区域级别,电阻率值大于130Ω·m的区域为I级治理区域,这些区域通常存在较大的采空区或严重的地质异常,在I级治理区域中,共发现了3处高阻异常区域,分别命名为GY1､GY2和GY3,对高阻区域综合分析认为是以前的小窑采空区经过注浆治理之后,整体阻值显著升高所导致的;电阻率值110~130Ω·m确定为II级治理区域,这些区域可能存在规模较小的采空区域或采空巷道,在物探电性上反映不是很明显;电阻率值小于110Ω·m的区域则为III类安全区域,这些区域的围岩结构通常较为完整,安全风险相对较低｡

5、结语

(1)在本次研究中,充分利用了并行电法数据采集技术,采用AM法进行数据采集,采样时间经试验确定20~200ms和50~500ms这2个范围,在麻子塔风井场地下小煤窑破坏区探测范围内识别出3个异常区域,分别命名为GY1､GY2､GY3｡

(2)在探测过程中,发现这些异常区域在纵向上发育跨度较大,显示出较为复杂的空间分布特征｡同时,探测区域内整体视电阻率值较高,这进一步证实了之前的推测:采空区､冒落裂隙带以及空洞已经被注浆浆液凝固形成的水泥结石体充填紧密[7],注浆治理效果明显｡

参考文献:

[1]刘宝宝,郭纯,杨海涛.煤矿电法集成勘探系统及其应用研究[J].煤田地质与勘探,2021,49(5):247-252.

[2]姚丽芳,张顺中,陈兴海,等.三维直流并行高密度电法与瞬变电磁法在某玻璃管拟建场地勘察中的应用[J].科学技术与工程,2020,20(34):13983-13989.

[3]邱占林,曾东富,郭玉森.三维改进并行电法福建小煤矿底板富水区探测[J].山东煤炭科技,2020(8):122-125,130.

[4]鲁晶津,王冰纯,颜羽.矿井电法在煤层采动破坏和水害监测中的应用进展[J].煤炭科学技术,2019,47(3):18-26.

[5]张文芳.网络并行电法在回采工作面“两带”高度实测中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2020(8):148.

[6]李鑫,王诗海,高龙.综合物探技术在湖下采砂灾害普查中的应用研究[J].山西煤炭,2022,42(3):109-115.

[7]王哲豪.注浆加固技术在小煤窑破坏区的实践应用[J].山西焦煤科技,2023,47(6):32-35.

文章来源:李东红,马丽.并行电法在麻子塔风井区注浆治理后的效果验证分析[J].煤炭技术,2025,44(03):146-150.