礦井災(zāi)害預(yù)防的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

沈福斌，周子鵬，古 瑤，耿 清

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

我國的礦井水文地質(zhì)條件是世界上最復(fù)雜的國家之一，水害一直困擾著煤礦的生產(chǎn)。尤其是在煤層厚度較大的礦井，隨著導(dǎo)水裂隙帶增高，受水害的威脅越大，甚至還有大量的煤炭資源由于煤層上部水害及構(gòu)造的發(fā)育而不能及時開發(fā)利用，長期形成滯留儲量，故提前做好礦井水體、構(gòu)造的探測是礦井災(zāi)害預(yù)防的關(guān)鍵技術(shù)，必須加以重視。

1 水文探測的工作原理及裝置

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法(TEM)觀測的是二次場，可在近區(qū)進行觀測(采用重疊回線裝置)，屬于全空間效應(yīng)的勘探方法。其原理是利用不接地回線在井下巷道內(nèi)設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，并在其周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次電磁場。當電流突然斷開時，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失，為維持電流斷開之前存在的磁場，巖層中被激發(fā)出感應(yīng)電流，產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場。發(fā)射電流斷開的瞬間，最初激發(fā)的感應(yīng)電流集中于巷道附近巖層中，隨著時間的推移，巷道周圍的感應(yīng)電流逐漸向外擴散，其強度逐漸減弱。在斷開發(fā)射電流的任一時刻，感應(yīng)電流在巷道內(nèi)產(chǎn)生的磁場，可以等效為一個水平環(huán)狀的電流磁場，這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線“吹”出來的一系列煙圈，因此將巷道頂、底板導(dǎo)電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”，如圖1所示。

圖1 “煙圈效應(yīng)”示意圖

瞬變電磁勘探有多種工作裝置，常用的有偶極-偶極裝置、大定回線源裝置、同點裝置，由于同點工作裝置具有定向性好，具有測深測量和剖面測量的雙重工效及占地面積小等優(yōu)點，適合于井下全方位探測，且探測距離大、分辨率高、施工快捷，故選擇同點工作裝置的重疊回線形式工作。

1.2 無線電磁波透視法

無線電磁波透視法也稱坑透法，電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性不同，對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構(gòu)造時，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對電磁波的影響所造成的無線電波透視異常，從而進行地質(zhì)推斷和解釋，如圖2所示。

圖2 無線電波透視探測原理示意圖

2 數(shù)據(jù)采集、資料處理及解釋

2.1 礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集

儀器：礦井瞬變電磁法采用國產(chǎn)YCS111礦用本安型瞬變電磁儀，該該儀器具有抗干擾、輕便、防水、防塵和自動化程度高等特點。

施工參數(shù)：采用2 m×2 m正方形回線，發(fā)射回線40匝，接收回線60匝，疊加次數(shù)為64次。

數(shù)據(jù)采集：工作面頂板探測時，按照與巷道頂板方向不同夾角進行探測，以改變線框水平夾角實現(xiàn)對巷道頂板砂巖含水性的探測，如圖3(a)、(b)、(c)所示，點距一般為10 m最合適。

2.2 無線電磁波透視法數(shù)據(jù)采集

儀器：無線電磁波透視法采用WKT-E型無線電波坑道透視儀，發(fā)射機和接收機為礦用本質(zhì)安全型。

施工參數(shù)：發(fā)射頻點可選用0.088 MHz、0.158 MHz、0.288 MHz及0.396 5 MHz。頻率越小，穿透力越強，探測距離越大，反之，穿透力越弱，探測距離越小。當工作面>200 m時，一般采用0.088 MHz發(fā)射，當工作面>150～200 m時，一般采用0.158 MHz發(fā)射。

數(shù)據(jù)采集：無線電波透視法一般在兩巷道間進行，如在回風巷布置發(fā)射點，向煤層中發(fā)射某一頻率電磁波，在機巷安置接收機觀測電磁場場強H信號。發(fā)射機相對固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點上，接收機在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點沿巷道觀測場強值。一般發(fā)射點距50 m，接收點距10 m。每一發(fā)射點，接收機可相應(yīng)觀測11～20個點，如圖4所示。

2.3 礦井瞬變電磁法資料處理

處理流程：TEM資料處理工作流程如圖5所示。

a-與巷道頂板方向垂直；b-與巷道頂板方向30°;c-與巷道頂板方向60°圖3 頂板探測方向示意圖

圖4 無線電磁波透視法發(fā)射與接收范圍示意圖

圖5 瞬變電磁法資料處理流程圖

曲線圓滑：主要是利用小波變換對曲線進行圓滑處理。

視電阻率計算：利用編輯矯正后的數(shù)據(jù)計算得到其視電阻率值。

視深度計算：利用前面模塊的計算結(jié)果，計算得到相應(yīng)的視深度值。

自動繪圖：自動鏈接內(nèi)嵌的繪圖軟件，繪制視電阻率等值線圖。

2.4 無線電磁波透視法資料處理

采用的技術(shù)：無線電波透視法數(shù)據(jù)處理采用CT層析成像技術(shù)，其充分利用電磁波在媒質(zhì)傳播中的信息，利用高精度反演吸收衰減系數(shù)，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強了異常的識別能力。

吸收系數(shù)值計算：利用SIRT算法(同時迭代重構(gòu)技術(shù))，根據(jù)矩陣方程計算各像元吸收系數(shù)值，從而實現(xiàn)工作面成像區(qū)內(nèi)吸收系數(shù)成像。利用計算結(jié)果可以繪制成像區(qū)吸收系數(shù)等值線圖和色譜圖。

場強值的提?。簩γ總€接收段接收多個背景值，取其平均值作為該段的背景值。對于各接收點的實測總場強值，減去背景值便為各接收點場強值，利用場強值繪制層析成像圖。

2.5 資料解釋

無線電磁波透視法：巷道揭露有沖刷、裂隙發(fā)育的情況下與斷層相似，場強衰減逐漸增大，吸收系數(shù)逐漸增大，接收場強值逐漸變小，曲線變緩陡，出現(xiàn)“拐點”或“突變點”。在CT層析成像圖上，沖刷帶引起的異常范圍一般呈寬緩的“條帶”狀，曲線不閉合，吸收系數(shù)值逐漸變大；當工作面內(nèi)出現(xiàn)基巖時，其異常曲線應(yīng)為“U”字型，在CT層析成像圖上，異常范圍一般呈寬緩閉合的“圓形或橢圓形”狀，曲線閉合，吸收系數(shù)值逐漸增大；在工作面內(nèi)煤層傾角由緩傾斜變?yōu)閮A斜或急傾斜及其過渡地段(或稱扭曲段)，可以造成明顯的透視屏蔽，吸收系數(shù)值增大。

3 綜合應(yīng)用

3.1 礦井瞬變電磁在工作面頂板水探測

工作面2-2煤層頂板巖層富水探測成果如圖6所示。

圖6 工作面內(nèi)2-2煤層頂板上90 m(上)、60 m(中)、30 m(下)巖層富水探測成果圖

從圖中可以看出，煤層頂板上30～70 m之間，0#～30#點(即距停采線1 300～1 600 m)附近，富水異常區(qū)規(guī)模較大，其含水性較好，存在聯(lián)通；煤層頂板上90 m，0#～11#點(即距停采線1 490～1 600 m)附近，富水異常區(qū)規(guī)模相對較小，煤層頂板上30～50 m之間，85#～105#點(即距停采線550～750 m)附近，巖層含水性較好，可能存在聯(lián)通。

3.2 無線電磁波透視法在工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造探測

工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造探測成果如圖7所示。圖7中場強及吸收系數(shù)影像圖中均在相同位置出現(xiàn)兩處異常，分別為1號異常和2號異常。其中1號異常為寬約1 m的基巖穿刺引起；2號異常為21303工作面延伸巷及其巷內(nèi)積水現(xiàn)引起，且在21303工作面延伸巷的左側(cè)存在少量的裂隙發(fā)育。說明無線電磁波透視法反映成果與實際揭露情況相符。

圖7 工作面場強(上)及吸收系數(shù)(下)影像圖

4 結(jié)語

采用礦井瞬變電磁法，對老巷道積水、斷層的含導(dǎo)水及對工作面頂板巖層富水進行探測。并利用數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合已知地質(zhì)資料及相鄰工作面解釋經(jīng)驗，進行綜合解釋，成果可靠，效果明顯。結(jié)論表明，礦井瞬變電磁法為煤礦井下水文探測最理想、有效的物探方法之一；無線電磁波透視法對探測工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造效果明顯。2種探測方法可為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。