長溝煤礦15105工作面運輸巷掘進瞬變電磁探水技術(shù)研究與應(yīng)用

朱曉鋒

（陽煤集團長溝公司，山西 和順 032700）

1 工程概況

陽泉煤業(yè)長溝煤礦15105工作面主采15#煤層，煤層均厚5.12m。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚10.6m；基本頂為石灰?guī)r，均厚為7.18m；直接底為泥巖，均厚3.1m；老底為砂質(zhì)泥巖，均厚為4.65m。15105工作面運輸巷沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，采用錨桿錨索支護。根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示，礦井的主要含水層為第四系含水層和太原組灰?guī)r含水層。另外根據(jù)探測結(jié)果可知，15105工作面運輸巷在掘進過程中會揭露1個含水陷落柱，工作面陷落柱近似呈橢圓形，長軸約為40m，短軸約為26m，陷落柱周邊裂隙帶約為15～30m，其頂部巖層的富水性較強，并且在陷落柱兩側(cè)的含水巖層同樣含有一定的富水性。在巷道掘進揭露陷落柱前有頂板淋水現(xiàn)象出現(xiàn)，故為保證巷道掘進過程中安全，通過采用瞬變電磁技術(shù)對掘進迎頭前方的含水狀況進行探測分析。

2 瞬變電磁場的分布規(guī)律

在煤礦井下應(yīng)用瞬變電磁法時會受到全空間的影響，現(xiàn)為充分認識全空間瞬變電磁的分布建立均勻全空間瞬變電磁技術(shù)的模型。在坐標原點的位置處設(shè)置2m×2m的發(fā)射回線，設(shè)置全空間的電阻率為100Ω·m，發(fā)射電流1A，并將z坐標軸的方向作為其法向。具體均勻全空間模型如圖1所示。

圖1 均勻全空間瞬變電磁模型示意圖

根據(jù)建立的均勻全空間瞬變電磁模型，通過模擬分析的形式，能夠得出在不同時刻處磁場的強度在xoz平面上的矢量圖?，F(xiàn)根據(jù)模擬結(jié)果具體對發(fā)射電流關(guān)閉結(jié)束后0.02ms和0.08ms時磁場的強度矢量進行具體分析，具體不同時刻磁場矢量圖如圖2所示。

圖2 不同時刻下磁場的強度矢量圖

通過具體分析圖2能夠得出，在t=0.02ms時，此時發(fā)射回線的上下方及發(fā)射回線附近位置的磁場均沿著z軸的方向，磁場呈現(xiàn)出旋狀分布。隨著全空間下瞬變電磁作業(yè)的進行，磁場的矢量在沿著z軸方向的范圍逐漸擴大，且磁場的擴散范圍在不斷增大。隨著磁場擴散范圍的增大，在t=0.08ms時，此時大部分范圍的磁場方向均趨于z軸的方向。另外根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著時間的進一步推移，探測范圍內(nèi)的磁場矢量均會沿著z軸的方向。

基于上述分析可知，隨著探測作業(yè)的進行，探測區(qū)域的磁場矢量均會沿著z軸方向，故現(xiàn)對t=0.02ms和t=0.08ms時對探測區(qū)域在z軸方向的磁場分布進行出圖分析。具體不同時刻下磁場強度的等值線分布圖如圖3所示，圖中磁場強度的等值線的數(shù)值為擴大109后的結(jié)果，單位為A/m。

通過具體分析圖3可知，在磁場發(fā)射的初期，磁場的擴散范圍較小，僅擴散到發(fā)射回線附近的位置，隨著磁場發(fā)射作業(yè)的進行，磁場的擴散范圍在逐漸增大。磁場的擴散范圍在垂直方向（z軸方向）磁場強度最大值的位置始終在瞬變電磁發(fā)射回線的中心位置處，即其余位置處的磁場強度始終小于發(fā)射回線中心位置處的磁場強度。

圖3 不同時刻下z軸方向磁場強度等值線分布圖

根據(jù)上述分析可知，在均勻的全空間介質(zhì)中，隨著瞬變電磁作業(yè)的進行，磁場的擴散范圍會逐漸增大，且發(fā)射回線中心位置處的磁場強度最大。另外根據(jù)瞬變電磁在不同時刻下y方向下感應(yīng)電場等值線分布狀態(tài)得出感應(yīng)電場的等值線會沿著水平方向移動，且等值線的半徑在逐漸增大的同時不會出現(xiàn)上下移動。

3 瞬變電磁技術(shù)探測含水陷落柱

3.1 含水陷落柱瞬變電磁響應(yīng)特征

含水陷落柱一般呈扁圓形或橢圓形，其內(nèi)部充填物一般成分較為復(fù)雜，且充填物具有松散、密度小及導(dǎo)水性強的特性。含水陷落柱柱體內(nèi)部和柱邊裂隙帶呈現(xiàn)出低阻的特性，通過建立工作面含水陷落柱地層模型，對掘進迎頭前方的陷落柱的含水特性進行模擬，對模擬得出的瞬變電磁視電阻率的響應(yīng)特征進行具體分析。

根據(jù)15105工作面的特征建立數(shù)值模擬模型，模型中含水陷落柱發(fā)育于煤層底板，并逐漸延伸到煤層中。根據(jù)陽泉礦區(qū)的地質(zhì)及水文資料，設(shè)煤層厚度為10m，電阻率為820Ω·m。煤層頂板及底板巖層相對為低阻介質(zhì)，頂板為泥巖和灰?guī)r，設(shè)其電阻率為200Ω·m，底板為砂質(zhì)泥巖和細砂巖，設(shè)其電阻率為400Ω·m。根據(jù)地質(zhì)資料，設(shè)置含水陷落柱半徑為20m，布置21個間距為10m的瞬變電磁測點，測點進行順煤層方向和煤層底板方向的探測作業(yè)。具體回采工作面含水陷落柱的模擬模型如圖4所示。

圖4 回采工作面含水陷落柱模擬模型

通過對圖4模型的模擬計算，將計算結(jié)果進行有效處理和校正，并對校正后的視電阻率采用深轉(zhuǎn)換的方法，從而得出視電阻率等值線斷面圖，如圖5所示。

圖5 含水陷落柱視電阻等值線擬斷面圖

通過分析圖5（a）順煤層方向的視電阻等值線能夠得出，在25m深度以內(nèi)的范圍內(nèi)視電阻率的變化比較平穩(wěn)，基本呈現(xiàn)出平行分布的趨勢，并且視電阻率的數(shù)值會隨著深度的逐漸增大而逐漸減小。根據(jù)探測結(jié)果顯示在橫坐標80～120m及縱坐標50～80m的范圍內(nèi)，視電阻率小于160Ω·m，為相對異常區(qū)。通過分析圖5（b）能夠得出，在25m的范圍內(nèi)橫向變化較為平穩(wěn)，基本呈現(xiàn)出平行分布，并且隨著深度的不斷增大，會使得產(chǎn)生的視電阻率出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在深度55～83m及距離83～118m的范圍內(nèi)視電阻率小于140Ω·m，即說明該段區(qū)域的富水性較強。

根據(jù)上述分析可知，該模擬分析能較為準確地反映陷落柱的發(fā)育位置，故通過對比不同探測方向的瞬變電磁響應(yīng)視電阻率的結(jié)果能對含水陷落柱的范圍及發(fā)育情況進行具體解釋。

3.2 含水陷落柱的實際探測

為保證15105工作面運輸巷在掘進過程中的安全，在掘進工作面迎頭采用瞬變電磁技術(shù)對前方煤巖體的含水情況進行超前探測。在進行探測作業(yè)時，采用扇形測點的布置形式，并分別對順煤層方向和煤層頂?shù)装鍘r層進行探測。在對頂板進行探測時，發(fā)射回線與逆著煤層底板成45°夾角，探測方向與發(fā)射回線相垂直；在進行順煤層方向探測時，發(fā)射回線與煤層底板呈90°；在進行煤層底板探測時，發(fā)射回線沿順著煤層方向呈45°。根據(jù)探測結(jié)果能夠得出掘進工作面沿著煤層方向及煤層頂?shù)装宓乃沧冸姶乓曤娮杪实戎稻€斷面圖，順煤層方向、煤層頂板方向探測、底板方向的示意圖和瞬變電磁探測視電阻率等值線斷面圖如圖6所示。

根據(jù)掘進工作面的超前探測結(jié)果，分析圖6順煤層方向電阻率可知，運輸巷在掘進迎頭前方45m的范圍內(nèi)，視電阻率的數(shù)值均小于6Ω·m，屬于低阻異常區(qū)域，這說明該段含水裂隙及構(gòu)造較為發(fā)育，說明巷道掘進迎頭左側(cè)幫巖層的富水性較強。根據(jù)頂板方向的視電阻率等值線分布規(guī)律可知，在巷道掘進方向距離迎頭小于50m的范圍內(nèi)，視電阻率大于6Ω·m，說明對應(yīng)的探測區(qū)域巖層電性穩(wěn)定，該探測范圍內(nèi)富水性較弱。在大于50m范圍巷道左幫，視電阻大于6Ω·m，該處視電阻值小于巷道右側(cè)幫與迎頭相同距離位置的視電阻率值，這便說明該段探測區(qū)域構(gòu)造或含水裂隙較為發(fā)育，即表明該段迎頭前方左側(cè)幫頂板巖層富水性較強。對底板方向的探測結(jié)果進行分析可知，在掘進迎頭左側(cè)幫大于40m的范圍內(nèi)，視電阻率等值線數(shù)值大于6Ω·m，屬于相對低阻異常區(qū)域，說明該區(qū)域的構(gòu)造或者含水裂隙較為發(fā)育，即表明左側(cè)幫底板巖層的富水性較強。

圖6 各方向視電阻率等值線斷面圖

綜合上述頂板、底板及順層方向的探測結(jié)果能夠得出在15105工作面運輸巷掘進迎頭前方左側(cè)幫表現(xiàn)出較強的低阻異常響應(yīng)，另外根據(jù)探測結(jié)果顯示，異常體的范圍貫穿煤層及其頂?shù)装?，且與深部巖層存在著較強的水力聯(lián)系。

根據(jù)瞬變電磁的勘探結(jié)果，通過在巷道掘進迎頭的位置布置鉆孔，對陷落柱的范圍及含水性進行驗證。鉆孔探測結(jié)果基本與瞬變電磁的探測結(jié)果一致，另外巷道實際掘進過程中的現(xiàn)場觀測結(jié)果也與瞬變電磁的探測結(jié)果一致，即為巷道掘進迎頭前方50m為含水陷落柱，含水陷落柱的范圍約為40m。基于上述分析可知采用瞬變電磁技術(shù)能夠適用于巷道探測陷落柱的范圍及含水量作業(yè)。

4 結(jié)論

通過具體分析均勻全空間瞬變電磁的分布規(guī)律，并采用數(shù)值模擬的方式對含水陷落柱采用瞬變電磁技術(shù)進行探測的響應(yīng)特征進行模擬分析，結(jié)合15105工作面含水陷落柱的具體情況，采用瞬變電磁技術(shù)對運輸巷的含水陷落柱進行具體探測。得出運輸巷掘進迎頭前方50m為含水陷落柱，含水陷落柱的范圍約為40m，通過鉆孔探測與現(xiàn)場觀測的方式驗證了瞬變電磁的探測結(jié)果。瞬變電磁技術(shù)能夠有效探測含水陷落柱的范圍及含水量的大小。