瞬變電磁法超前探測技術(shù)在探放水方面的應(yīng)用

喬永杰

陽煤集團平定裕泰煤業(yè)有限公司位于陽泉市平定縣張莊鎮(zhèn)，礦井井田面積為4.3 km2，保有地質(zhì)儲量28.954 Mt，可采儲量19.775 Mt，可供布置工作面的資源儲量約為8 Mt。開采15#煤層，煤層平均厚度為5.39 m。煤質(zhì)屬02號無煙煤，品質(zhì)優(yōu)良，符合環(huán)保政策對燃煤質(zhì)量的要求。礦井生產(chǎn)能力在重組整合之后由原0.15 Mt/a提升到0.60 Mt/a，實現(xiàn)一井一面，綜合機械化采煤作業(yè)，該公司煤礦采用斜井開拓，兩級混合絞車提升。

1 瞬變電磁法超前探測技術(shù)工作原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法。其探測原理是：在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地0質(zhì)體的電性分布情況。工作面內(nèi)、巷道頂?shù)装寮熬蜻M頭前方巖層內(nèi)的富水區(qū)，通常表現(xiàn)為低電阻率值區(qū)。因此，富水區(qū)范圍和煤層變薄區(qū)等與正常煤層間存在明顯的電性差異，可以進行瞬變電磁探測來查明相關(guān)問題。

2 工作面概況

十四采區(qū)81402工作面走向高抽巷，巷道作為81402工作面回采時瓦斯抽放專用巷道，沿11#煤層頂板為標志層掘進的全巖巷。巷道總體構(gòu)造形態(tài)為一背斜構(gòu)造，局部發(fā)育有次一級的向，背斜構(gòu)造，巖層傾角最大12°，最小2°，一般5°左右。巷道頂?shù)装鍘r性情況如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性情況

3 探測方法簡述

3.1 探測方法

圖1為瞬變電磁法現(xiàn)場測點探測布置：其中迎頭測點間距15°左右旋轉(zhuǎn)，采集13個測點 (1～13)；其中1為向左0°探測、15為向右0°探測；每個迎頭探測布置13×6=78個物理點，共采集數(shù)據(jù)78個測點。為了探測到巷道掘進前方及其頂巖層內(nèi)富水性，采用多匝重疊線框，小回線測量。

圖1 81402走向高抽巷現(xiàn)場測點布置

3.2 探測儀器介紹

本次探測儀器型號為YCS40（A），線圈大小為2 m×2 m，參數(shù)如表2所示。

表2 YCS40（A）瞬變電磁儀參數(shù)

4 數(shù)據(jù)解釋

本次探測巷道位于81402高抽巷，探測目的層為掌頭及側(cè)幫頂板、順層富水情況，探測點位于高抽巷523測點處，共得出五個側(cè)幫視電阻率剖面。由以下圖可以看出：

1）側(cè)幫頂板75°剖面反映0～200 m之間。在0～90 m之間，范圍深度20～40 m；90～120 m之間，范圍深度20～90 m；120～150 m之間，范圍深度20～75 m區(qū)域存在低阻異常區(qū)。

2）側(cè)幫頂板60°剖面反映0～200 m之間。在0～20 m之間， 范圍深度20～50 m；20～50 m之間，范圍深度20～78 m；50～90 m之間，范圍深度20～40 m；90～120 m之間，范圍深度20～100 m；120～134 m之間，范圍深度20～70 m區(qū)域存在低阻異常區(qū)；

3）側(cè)幫頂板45°剖面反映0～200 m之間。在0～64 m之間，范圍深度2～100 m；146～158 m之間，范圍深度40～80 m區(qū)域存在低阻異常區(qū)；

4）側(cè)幫頂板30°剖面反映0～200 m之間。在0～54 m之間，范圍深度20～100 m；144～154 m之間，范圍深度28～100 m區(qū)域存在低阻異常區(qū)；

5）側(cè)幫順層剖面反映0～200 m之間。在0～65 m之間，范圍深度20～100 m；140～158 m之間，范圍深度30～78 m區(qū)域存在低阻異常區(qū)；

瞬變電磁在礦井探水解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律。在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一。當?shù)刭|(zhì)構(gòu)造變化時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，表現(xiàn)出巖石導(dǎo)電性的變化。當存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當于存在局部低電阻率值地質(zhì)體，解釋為相對富水。同樣如果采空區(qū)不積水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果采空區(qū)積水，由于其導(dǎo)電性好，相當于存在局部低電阻率值地質(zhì)體，解釋為相對富水。從本次探測現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析：

（1）側(cè)幫頂板75°、側(cè)幫頂板60°方向出現(xiàn)的低阻異常區(qū)推測為3#或9#煤采空巷道局部低洼地段積水或煤巖層局部富水所致。

（2）側(cè)幫頂板45°、側(cè)幫頂板30°方向出現(xiàn)的低阻異常區(qū)推測為9#煤采空巷道局部低洼地段積水或煤巖層局部富水所致。

（3）側(cè)幫頂板75°、側(cè)幫頂板60°、側(cè)幫頂板45°、側(cè)幫頂板30°方向局部出現(xiàn)的高阻異常區(qū)推測為3#、9#煤局部采空巷道或構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育所致。

（4）側(cè)幫順層方向局部出現(xiàn)的低阻異常區(qū)推測為構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育富水所致。

根據(jù)有關(guān)探測資料，為實現(xiàn)安全生產(chǎn)，決定對有關(guān)探測富水區(qū)進行打鉆探放。在探測范圍共布置三個鉆場，共計施工鉆孔6個，放水50000 m3。其中探測分析的上部煤層采空區(qū)低洼處積水為主要來源。根據(jù)放水鉆孔點和探測異常區(qū)對比，區(qū)域基本相符，驗證了瞬變電磁超前探測技術(shù)在探水方面的有效性。

5 需要注意的問題

1）礦用瞬變電磁儀探測的盲區(qū)是以探測點為中心，半徑20 m以內(nèi)的范圍，因此在掘進過程中要注意該區(qū)段的賦水情況；

2）本次探測位置位于 高抽巷523測點處。頂板及幫鋼條支護，底板有少量矸石，探測位置有鋼管鐵軌，上述環(huán)境對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有一定影響。

6 結(jié)語

瞬變電磁技術(shù)作為煤礦地質(zhì)探測的先進技術(shù)之一，已在煤礦中得到推廣應(yīng)用。此次采取瞬變電磁技術(shù)觀測方法進一步提高了水文地質(zhì)探測精度，對工作面的地質(zhì)構(gòu)造和水文預(yù)測預(yù)報做到了較為準確的判斷，得到了工作面上方采空區(qū)的充水位置和范圍，為礦井水文預(yù)測預(yù)報和防排水措施的制定提供了較為充實的數(shù)據(jù)資料，從而為下一步我礦順利疏放工作面上方采空區(qū)積水提供了科學(xué)依據(jù)。