潞寧煤業(yè)31101工作面富水區(qū)瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)

尚小平

(潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)公司，山西 寧武 036700)

1 工程概況

潞寧煤業(yè)31101工作面為3號(hào)煤層的首采工作面， 3號(hào)煤層厚度在1～1.8 m，均厚1.4 m，平均傾角為13°，一般含一層夾矸層，工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，煤層直接底為泥巖，均厚2 m，基本底為粉砂巖，均厚6 m；直接頂為泥巖，均厚3.3 m，基本頂為砂巖，均厚7.5 m。

31101工作面位于2號(hào)煤下部，上距2號(hào)煤層27.10～35.88 m，平均32.11 m，工作面在回采過(guò)程中由于頂板垮落，會(huì)形成導(dǎo)水裂隙帶，該裂隙帶可能導(dǎo)致2號(hào)煤采空區(qū)積水涌入工作面，為保證工作面回采安全，采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面富水區(qū)域的含水情況進(jìn)行了探測(cè)。

2 瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)是一種時(shí)間預(yù)的電磁探測(cè)技術(shù)，是利用脈沖磁場(chǎng)的傳播原理，對(duì)該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的時(shí)間分布和空間分布進(jìn)行觀測(cè)；其測(cè)量裝置由發(fā)射和接收回線構(gòu)成；工作過(guò)程主要包括發(fā)射、電磁感應(yīng)、接收三部分，在發(fā)射回線中存在著穩(wěn)定電流，當(dāng)電流切斷時(shí)會(huì)在回線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)成為一次磁場(chǎng)，若該磁場(chǎng)在傳播過(guò)程中遇到導(dǎo)電的地質(zhì)體，便會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱為二次磁場(chǎng)[1-2]，二次磁場(chǎng)的產(chǎn)生主要源于被探測(cè)地質(zhì)體內(nèi)部的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流包含著大量的地質(zhì)信息，能夠通過(guò)量測(cè)各個(gè)時(shí)間段二次磁場(chǎng)的時(shí)間變化規(guī)律得出不同深度的地點(diǎn)特征，進(jìn)而確定出探測(cè)區(qū)域?qū)w的分布結(jié)構(gòu)及空間形態(tài)，確定出探測(cè)區(qū)域的含水量。具體原理示意如圖1所示。

根據(jù)眾多研究及工程實(shí)踐表明[3-4]，瞬變電磁技術(shù)在均勻的全空間介質(zhì)中，隨著瞬變電磁作業(yè)的進(jìn)行，磁場(chǎng)的擴(kuò)散范圍會(huì)逐漸增大，且發(fā)射回線中心位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大；另外根據(jù)瞬變電磁在不同時(shí)刻下Y方向感應(yīng)電場(chǎng)等值線分布狀態(tài)得出感應(yīng)電場(chǎng)的等值線會(huì)沿著水平方向移動(dòng)，且等值線的半徑在逐漸增大的同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)上下移動(dòng)。

圖1 瞬變電磁技術(shù)原理示意

3 方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

1) 使用儀器。根據(jù)31101工作面的具體地質(zhì)及水文條件，確定本次探測(cè)使用儀器為礦用瞬變電磁儀YCS40，瞬變電磁儀器參數(shù)主要設(shè)置如下：發(fā)射電壓7.2 V，發(fā)射頻率8.3 Hz，疊加次數(shù)32，抑制系數(shù)1，測(cè)道數(shù)40，記錄時(shí)窗35 ms；發(fā)射線框的邊長(zhǎng)2 m，發(fā)射匝數(shù)9，接收回線邊長(zhǎng)2 m，接收匝數(shù)18。

2) 探測(cè)范圍及方式。根據(jù)31101工作面上覆含水巖層及采空區(qū)積水量的具體情況，確定對(duì)31101工作面運(yùn)巷圖上3106點(diǎn)后35.4 m至3110點(diǎn)前38.33 m右?guī)?、以?112點(diǎn)前9.23 m至3116點(diǎn)后29.94 m右?guī)退椒较蚝晚敯?00 m范圍進(jìn)行探測(cè)，如圖2所示。

圖2 31101工作面瞬變電磁探測(cè)區(qū)域示意

3) 施工方案。具體在探測(cè)時(shí)，分兩段進(jìn)行，其中一段的探測(cè)范圍為運(yùn)巷3106點(diǎn)后35.4 m和前274.6 m，另一段的探測(cè)位置與第一段相距65 m，探測(cè)的長(zhǎng)度為240 m，每間隔5 m探測(cè)一次，并且在每個(gè)探測(cè)方位角按照探測(cè)法向傾角為：60°、45°、30°、15°、0°分別進(jìn)行探測(cè)，施工方案如圖3所示。

圖3 施工示意

4) 完成工作量。在31101工作面運(yùn)巷兩段順變電磁技術(shù)的測(cè)試區(qū)域，分別完成了60°傾角探測(cè)采集112個(gè)物理點(diǎn)；45°傾角探測(cè)采集112個(gè)物理點(diǎn)；30°傾角探測(cè)采集112個(gè)物理點(diǎn)，15°傾角探測(cè)采集112個(gè)物理點(diǎn)，0°傾角探測(cè)采集112個(gè)物理點(diǎn)；共采集5組560個(gè)物理點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理，得到瞬變探測(cè)視電阻率分布成果圖(圖4)。在圖4中，坐標(biāo)(0，0)點(diǎn)表示探測(cè)體端點(diǎn)位于31101工作面運(yùn)巷圖上3106點(diǎn)后35.4 m右?guī)吞幒蛨D上3112點(diǎn)前9.23 m右?guī)吞?。在每幅圖中，依次用紅、黃、綠、藍(lán)代表不同的視電阻率值，顏色越接近紅色(圖中下部)，表示視電阻率越高即巖層相對(duì)含水性越弱，反之，顏色越接近藍(lán)色(圖中上部)，表示視電阻率越低，該位置相對(duì)含水性越強(qiáng)。

由于瞬變電磁法探測(cè)具有低阻屏蔽的特性，真實(shí)的低阻區(qū)域可能小于圖中顯示的低阻范圍，所以由此得出的低阻范圍只能是相對(duì)值。瞬變電磁法只能探測(cè)低阻區(qū)域的最近距離，而不能確定低阻區(qū)域的最遠(yuǎn)邊界，所以實(shí)際工作中只能圈定低阻范圍的最近距離。

3.2.2 結(jié)果分析

1) 31101工作面運(yùn)巷圖上3106點(diǎn)后35.4 m至3 110 m前38.33 m右?guī)退沧冸姶欧ㄌ綔y(cè)成果。根據(jù)該區(qū)域60°傾角下的探測(cè)結(jié)果，探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯相對(duì)低阻異常區(qū)，45°、30°、15°及0°傾角下探測(cè)結(jié)果中均存在著相對(duì)低阻異常區(qū)，具體0～45°下探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 傾角45°～0°下視電阻率分布

通過(guò)分析圖4得出，在傾角45°下，其探測(cè)區(qū)域內(nèi)的相對(duì)位置為4～18 m、縱坐標(biāo)60～95 m處存在一相對(duì)較大的低阻區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試初步判斷可能為干擾引起； 30°傾角下，探測(cè)區(qū)域內(nèi)分別在(0～40 m， 45 m以外)、(52～106 m，47 m以外)、(132～185 m，54 m以外)、(200～226 m，77 m以外)存在相對(duì)低阻異常區(qū)； 15°傾角下，探測(cè)區(qū)域內(nèi)分別在相對(duì)位置(0～40 m，35 m以外)、(45～290 m，30 m以外)存在相對(duì)低阻異常區(qū)；0°傾角下，探測(cè)區(qū)域內(nèi)分別在相對(duì)位置(0～17 m，25～63 m)、(54～100 m，60 m以內(nèi))、(172～218 m，50 m以內(nèi))存在相對(duì)低阻異常區(qū)。

2) 31101工作面運(yùn)巷圖上3112點(diǎn)前9.23 m至3116后29.94 m右?guī)退沧冸姶欧ǚ治鼋Y(jié)果。60°傾角下探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯相對(duì)低阻異常區(qū)，在探測(cè)傾角為45°和30°時(shí)該區(qū)域的探測(cè)結(jié)果與圖4的結(jié)果基本一致，現(xiàn)對(duì)該區(qū)域探測(cè)傾角為15°和0°時(shí)視電阻圖進(jìn)行具體分析，如圖5所示。

圖5 傾角15°和0°下視電阻率分布

通過(guò)分析圖5可知，在探測(cè)15°傾角下探測(cè)區(qū)域內(nèi)分別在相對(duì)位置(0～70 m，60 m以外)、(94～120 m，72 m以外)、(132～240 m， 45 m以外)存在相對(duì)低阻異常區(qū)；0°傾角下，探測(cè)區(qū)域分別在(60～68 m，25～70 m)、(92～150 m， 45 m以外)、(210～235 m， 25～95 m)存在相對(duì)低阻異常區(qū)。

根據(jù)上述分析結(jié)果，31101工作面相對(duì)低阻異常區(qū)(富水區(qū)域)的分布情況如圖6所示。

圖6 31101工作面異常區(qū)域的分布

4 結(jié) 語(yǔ)

采用瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)潞寧煤業(yè)31101工作面上覆含水巖層及采空區(qū)積水情況進(jìn)行了，根據(jù)探測(cè)結(jié)果可知，31101工作面運(yùn)巷圖上3106點(diǎn)后35.4 m至3110點(diǎn)前38.33 m區(qū)域，在15°方向上斜向距離30 m以遠(yuǎn)，賦水可能性較大；31101工作面運(yùn)巷圖上3112點(diǎn)前9.23 m至3116點(diǎn)后29.94 m探測(cè)區(qū)域15°方向至水平方向，賦水可能性較大，在工作面回采前應(yīng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行探放水作業(yè)，以保障工作面的安全回采。