瞬變電磁超前探查水體技術(shù)分析與應(yīng)用

彭虎

（山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

水害是煤礦常見的災(zāi)害之一，對礦井安全生產(chǎn)和礦工生命安全產(chǎn)生了極大的威脅，為了查清楚礦井采掘區(qū)域的富水異常區(qū)，為礦井安全生產(chǎn)提供依據(jù)，常用的方法主要為物探法、鉆探法以及常規(guī)的地質(zhì)分析法，其中鉆探法存在“一孔之見”的顯著缺點，而傳統(tǒng)的地質(zhì)分析法又無法準確的給出采掘區(qū)域的富水情況結(jié)論，因此物探探測方法非常重要，然而井下的采掘空間有限，受采掘空間的影響部分物探手段的應(yīng)用效果不是特別理想。本文分析了瞬變電磁的技術(shù)原理和探測條件，并且在東古城煤業(yè)21301 工作面回風順槽進行了實地驗證，表明其探測結(jié)果較為可靠，為礦井防治水工作提供了重要基礎(chǔ)。

1 概 況

東古城煤業(yè)21301 工作面位于二采區(qū)南部，主采煤層為9 號、10+11 號煤層，工作面東部為原河底山采空區(qū)，南部為該礦礦界，西部為實體煤，北部為實體煤，對應(yīng)的地表范圍內(nèi)為丘陵林地，標高為+1 036—+1 324 m，區(qū)內(nèi)無建筑物。21301 工作面可采走向長度為1 930 m，傾斜長度為132 m，計劃采用綜合機械化采煤工藝，自然垮落法管理頂板，根據(jù)地面勘探鉆孔與井下揭露的地質(zhì)資料，21301 工作面范圍內(nèi)主采煤層穩(wěn)定，煤層總體走向為北東，傾向為西北，傾角3°～13°，平均8°，工作面煤層底板標高為+916—+968 m，煤層厚度為6.5～7.4 m，平均為6.94 m，其間含3 層夾矸，夾矸總厚度為1 m，純煤層厚度平均為5.94 m，種類為煙煤中的肥煤，煤化程度較高，屬于中等揮發(fā)分中的強粘結(jié)性煤，煤層硬度f=2～2.5，煤層頂?shù)装鍘r層情況如圖1 所示。

圖1 21301 工作面煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor strata in No.21301 Face

21301 工作面回風順槽掘進至通尺326 m 處時出現(xiàn)了頂板淋水，且隨著掘進逐漸變大，嚴重威脅煤礦生產(chǎn)安全，因此決定對21301 工作面前方含水區(qū)域進行探查。

2 瞬變電磁超前探測

2.1 瞬變電磁超前探查技術(shù)原理

煤系地層主要由沉積巖組成，不同的巖石由于礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面存在差異，因而往往具有不同的電阻率，當電磁場穿過巖層時，通常會表現(xiàn)出不同的反應(yīng)，為采用電磁方法識別不同的巖性，探查施工方向上的含水體和導(dǎo)水構(gòu)造提供了一種可能的思路。瞬變電磁法是一種通過采用人工激發(fā)的瞬時電磁場，讓電磁場穿過施工方向上巖石和構(gòu)造等地質(zhì)體，通過接收前方巖體反射回的電磁波信號，利用電磁波信號的變化來檢測地下含水和導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)體的一種方法。

探測過程中，探測設(shè)備發(fā)射電流會在回線周圍的大地和空間中形成一個穩(wěn)定的磁場，如圖2所示。

圖2 矩形框磁力線Fig.2 Rectangular frame magnetic field line

然后將電流突然斷開，該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失，并在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失，如圖3 所示。

圖3 穿過Tx 中心的橫斷面內(nèi)電流密度等值線圖Fig.3 The contour map of the current density in the cross section passing through the Tx center

由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，而瞬變電磁場衰減速率與介質(zhì)的電性有關(guān)，視電阻率值較高區(qū)域引起的瞬變電磁場較弱且衰減較快，而視電阻率值較低區(qū)域引起的瞬變電磁場較強且衰減較慢，所以通過觀測瞬變電磁場的大小和衰減特性，就可以了解地下介質(zhì)的電阻率分布情況，進而判斷地層的巖性、賦水性和構(gòu)造等特征。

2.2 施工設(shè)計

東古城煤業(yè)21301 工作面回風順槽掘進至通尺326 m 處時出現(xiàn)了頂板淋水，隨著巷道向前繼續(xù)掘進，頂板錨索鉆孔中出現(xiàn)了較大的涌水（圖4），不僅增加了掘進頭的涌水量，惡化了作業(yè)環(huán)境，甚至有可能造成災(zāi)變，直接威脅回風順槽和膠帶順槽的安全掘進和21301 工作面的安全開采，因此需要對21301 工作面前方含水區(qū)域進行探查，為精準疏放提供依據(jù)。

圖4 煤層頂板錨索鉆孔涌水Fig.4 Coal seam roof water inflow of anchor cable drilling hole

為了查清21301 工作面回風順槽前方頂板含水體的大小，根據(jù)21301 工作面回風順槽預(yù)掘進區(qū)域的地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件，決定采用瞬變電磁法進行勘探，計劃采用安徽惠州地質(zhì)安全研究院的YCS360A 礦用本安型瞬變電磁儀（圖5）進行施工。

圖5 21301 工作面回風順槽超前探測使用的瞬變電磁儀Fig.5 The transient electromagnetic instrument used in the advanced detection of return air roadway in No.21301 Face

（1）采用多匝重疊回線裝置，發(fā)射線框和接收線框均為1.8 m×1.8 m 矩形回線，發(fā)射頻率擬為8.3 Hz。

（2）在掘進頭處朝目標區(qū)域分別實施橫向切片和縱向切片的掃描探測，如圖6 所示。橫向掃描時，沿巷道掘進方向以礃子面左軸為0°方向，順時針在30°～150°的扇形范圍內(nèi)、按15°間隔，探測9 個方向（控制巷道外圍50～103.92 m）；縱向掃描時，沿巷道掘進方向以垂直巷道底板向下為0°方向，從下往上在0°～180°的扇形范圍、按15°間隔，探測13 個方向（控制煤層頂板以上83.61～116.2 m，控制煤層底板以下83.61～117.4 m）。

圖6 瞬變電磁探測方向示意Fig.6 Transient electromagnetic detection direction

2.3 物探技術(shù)要求

（1）工作量要求。21301 工作面回風順槽掘進頭超前探測時，橫向探測9 個方向，傾角為15°，縱向探測13 個方向，共計完成22 個方向探測。

（2）質(zhì)量要求。質(zhì)量要求按國家、行業(yè)的有關(guān)標準和規(guī)范執(zhí)行。

2.4 物探施工注意事項

（1）人員配備。井下瞬變電磁勘探時，由2名以上人員參與施工，其中至少1 名防治水技術(shù)人員，負責協(xié)調(diào)井下物探現(xiàn)場施工過程中遇到的各種問題。

（2）施工環(huán)境要求。施工范圍附近，距離掘進頭探測點20 m 內(nèi)巷道不得有大面積積水，且不得存放掘進機、鐵軌、皮帶架、錨網(wǎng)、錨桿等大塊金屬體；礦車需移出施工巷道，盡可能保持巷道空凈；鐵管盡可能貼巷底放置、減少金屬干擾，保障物探效果。物探數(shù)據(jù)采集時，施工區(qū)域附近必須停工，嚴禁出現(xiàn)拉車等其它活動，保障物探施工人員安全；巷道內(nèi)動力電纜、大型機電設(shè)備必須停電，防止對物探儀器造成損壞和干擾。

3 探測結(jié)果分析

東古城煤業(yè)21301 工作面回風順槽通尺326 m迎頭瞬變電磁超前探測結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 橫向（傾角為15°）探測結(jié)果Fig.7 Lateral(dip angle 15°)detection results

圖8 縱向探測結(jié)果Fig.8 Longitudinal detection results

從圖中可以看出，21301 工作面回風順槽前方頂板120 m 范圍內(nèi)存在傾向向上的富水異常區(qū)，而不是水平方向的異常區(qū)，異常區(qū)傾斜方向上延伸的傾角大致為45°，推測其為前方存在小斷層構(gòu)造引起的巖層破碎而造成的富水異常區(qū)，異常區(qū)范圍有限。

后在21301 工作面回風順槽通尺326 m 迎頭實施鉆探驗證，發(fā)現(xiàn)了小斷層，斷層走向與巷道近乎于垂直，斷層傾角為46°，落差為0.8 m。經(jīng)過鉆孔疏放，斷層破碎帶的水得到了有效疏放，單孔涌水量從最初的18.6 m3/h 最終降低為0.1 m3/h，保證了21301 工作面回風順槽安全通過了該小斷層，表明了瞬變電磁探測結(jié)果的準確性。

4 結(jié)語

井下巷道的掘進頭應(yīng)用瞬變電磁進行超前探測具有占用施工時間短、施工過程簡單、探測深度大、受空間影響較小等顯著優(yōu)點。通過在東古城煤業(yè)21301 工作面回風順槽通尺326 m 的掘進頭實施超前探測，發(fā)現(xiàn)了前方120 m 范圍內(nèi)存在一個傾斜向上的小范圍的沿傾斜方向大致呈45°延伸的低阻異常區(qū)，結(jié)合頂板錨桿鉆孔出水情況，進行鉆探驗證，判定其為斷層造成的破碎帶。后經(jīng)過鉆孔疏放，單孔涌水量從最初的18.6 m3/h 最終降低為了0.1 m3/h，21301 工作面回風順槽安全通過了該小斷層，表明了瞬變電磁探測結(jié)果科學(xué)有效，為保證煤礦安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。