工作面迎頭瞬變電磁法探測及探放水設(shè)計

管 洪 劉 超 姜佩文

(1.黔西南州安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局;2.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

我國是世界上煤礦水文地質(zhì)最為復(fù)雜的國家之一，在我國煤礦特別重大事故中，透水事故以死亡人數(shù)為評價標(biāo)準(zhǔn)，是僅次于瓦斯事故的第2大事故，死亡人數(shù)約占事故總死亡人數(shù)的14.6%［1］。由于缺乏詳細(xì)的礦井水文地質(zhì)資料，礦井的透水事故大多發(fā)生于巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中，因此在巷道掘進(jìn)和工作面回采之前，利用物探技術(shù)查明地下富水區(qū)域及地下巖溶水道的分布情況，對預(yù)防煤礦透水事故的發(fā)生，具有一定的實(shí)際意義［2］。

目前，礦井常采用的物探防治水方法主要有電磁波透射儀、音頻透視儀、礦井瞬變電磁法、地震波法和礦井地質(zhì)雷達(dá)法等［3］，礦井瞬變電磁法具有勘探深度大、抗干擾能力強(qiáng)、橫向分辨率高、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查及水文、工程勘察等領(lǐng)域。以貴州省息烽縣某煤礦1406沿煤層回風(fēng)巷為例，深入探討了瞬變電磁法在煤礦防治水方面的應(yīng)用。

1 瞬變電磁探測

1.1 地球物理條件

由地層電性分布規(guī)律知，煤層電阻率相對較高，砂巖次之，黏土巖類最低。在原生地層狀態(tài)下地層的電性在縱向上是變化的，而在橫向上則是單一的。由于水是導(dǎo)體，在斷層、裂隙、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的作用下使巖層含水時，巖層的電阻率降低，并隨著其含水率的增加而減小;如果不含水，巖層處于斷開狀態(tài)，局部電阻值便會增大，從而打破原始地層在縱向和橫向上的電性變化規(guī)律，這就為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質(zhì)條件［4］。

1.2 探測裝置

目前，煤礦采區(qū)水文勘探中常用的瞬變電磁法主要裝置有重疊回線、中心回線及大回線定源［5］。重疊回線的接收線框邊長與發(fā)射線框一致，接發(fā)距為0的組合，該裝置形式與地質(zhì)探測對象有最佳耦合;中心回線為重疊回線的改進(jìn)形式;大回線定源是采區(qū)瞬變電磁法常用的一種裝置，發(fā)射回線采用邊長為數(shù)百米的矩形回線，在回線內(nèi)外側(cè)布置測線，采用小型線圈或探頭沿測線進(jìn)行觀測。

1.3 探測方法

瞬變電磁法在煤礦井下巷道內(nèi)施工時，測點(diǎn)間距一般為2～10 m。在探測過程中，通過調(diào)整發(fā)射線框與煤層底板間的夾角，來探測煤層內(nèi)含水構(gòu)造異常體在縱向和橫向的發(fā)育規(guī)律。在探測分析過程中，可以根據(jù)TEM視電阻率扇形圖，結(jié)合礦井水文地質(zhì)資料，確定超前工作面橫向、水平深度和縱向深度上的電性變化規(guī)律。在巷道掘進(jìn)前或工作面回采之前，可通過現(xiàn)有的巷道對相鄰工作面未掘巷道實(shí)施側(cè)向探測，確定含水異常體的孕育范圍，為巷道掘進(jìn)或工作面回采中防、探水工作提供依據(jù)［5-6］。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

貴州省息烽縣某煤礦水文地質(zhì)條件中等，礦井正常涌水量為30 m3/h，最大涌水量為50 m3/h。礦區(qū)內(nèi)無大的斷層，局部出露季節(jié)性泉水，對礦床充水作用甚微。區(qū)內(nèi)老窖和小煤礦分布廣泛，且開采歷史悠久，大部分已被關(guān)閉。老窖采空冒落造成地表開裂，塌陷，致使地表水及降雨由裂隙滲入老窖蓄積。礦區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，切割較深。同時有些沖溝常年有水，枯季流量較小，雨季暴漲。因此，在上述地表水體下采煤應(yīng)注意地表水滲入。礦井主要充水水源為大氣降水。

該煤礦采用平硐斜井綜合開拓方式，1 325 m以上分為一采區(qū)，1 260～1 325 m為二采區(qū)，1 175～1 260 m劃分為三采區(qū)。1406采面開采二采區(qū)M4煤層，1406沿煤層回風(fēng)巷設(shè)計布置于目前1406回風(fēng)石門處，從石門揭露煤層處按0°方位角掘進(jìn)。1406回風(fēng)石門迎頭是煤層，左右?guī)褪悄噘|(zhì)粉砂巖、粉砂巖，含較多黃鐵礦的煤層底板。現(xiàn)場無水，無金屬體影響。為了防止在掘進(jìn)過程中誤穿老窖、裂隙、沖溝等地下水體，有必要超前探測該回風(fēng)巷區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況。

2.2 測點(diǎn)布置

探測地點(diǎn)為回風(fēng)石門迎頭，受工作空間的限制，采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置［7］。為了確保有足夠的發(fā)射功率和足夠強(qiáng)的有用感應(yīng)信息，探測采用2 m×2 m的多匝數(shù)重疊回線裝置即發(fā)射回線(Tx)的中心點(diǎn)與接收回線(Rx)的中點(diǎn)在空間上重合，也即接發(fā)距為0的組合。觀測時接收線圈貼近掘進(jìn)工作面，軸線指向探測方向。

探測采用的是多匝數(shù)重疊回線裝置，發(fā)射線圈半徑很小，且電磁場等效電流環(huán)將沿47°傾斜錐面向線圈平面前方擴(kuò)散。在煤礦井下巷道內(nèi)探測時，主要依據(jù)探測距離和煤層傾角來確定線框的布置位置，同時根據(jù)儀器的探測深度范圍來確定測點(diǎn)間隔，在保證勘探精度的同時盡量減少工作量。

測點(diǎn)布置于距設(shè)計的1406沿煤層回風(fēng)巷平距17 m處，測點(diǎn)間距為10 m，探測角度依次為+45°、0°、-45°，即與水平成 45°角往頂板方向，沿水平方向探測，與水平方向成45°往底板方向等3個方向，從而可以超前探測垂直于煤(巖)層平面內(nèi)的所有異常構(gòu)造。各點(diǎn)的探測方向見圖1。

此次探測為回風(fēng)石門迎頭超前探測測點(diǎn)平面布置見圖2，圖中的角度表示與水平方向的夾角。探測中共設(shè)計了9個探測點(diǎn)，每個探測點(diǎn)往3個方向探測，每個方向的測點(diǎn)形成1個視電阻率擬斷面圖，共形成3個視電阻率擬斷面圖，分別為與水平成45°角往頂板方向，與水平成0°角方向，與水平成45°角往底板方向。

圖1 各點(diǎn)探測方向示意

圖2 測點(diǎn)平面布置示意

2.3 探測成果分析

采用YCS160型礦井瞬變電磁儀配套的Windows處理系統(tǒng)對瞬變電磁的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要流程為:讀取文件→數(shù)據(jù)預(yù)處理→數(shù)據(jù)濾波→后沿改正→調(diào)用Surfer軟件繪制成果圖件。經(jīng)過處理得到:①貴州省息烽縣某煤礦1406沿煤層回風(fēng)石門與水平方向成45°角往頂板方向探測的視電阻率等值線擬斷面圖見圖3;②沿水平方向探測的視電阻率等值線擬斷面圖見圖4;③與水平成45°角往底板方向探測的視電阻率等值線擬斷面圖見圖5。由于瞬變電磁法受關(guān)斷時間的影響，無法探測到更淺部的異常體［6］，因而視電阻率擬斷面扇形成果圖中間有1個小的扇形缺口。

圖3 與水平成45°角往頂板方向探測成果

由圖3可知，圖存在1處低阻異常區(qū)域，低阻異常區(qū)位于1406沿煤層回風(fēng)石門右側(cè)角度40°～50°，橫坐標(biāo)范圍為65～90 m，縱坐標(biāo)范圍為60～80 m，視電阻率為10～20 Ω·m，視電阻率相對較低，其他區(qū)域視電阻率均較高。由圖4可知，圖中存在3處低阻異常區(qū)域:①第1處低阻異常區(qū)位于1406沿煤層回風(fēng)石門左側(cè)角度105°～110°，橫坐標(biāo)范圍為25～35 m，縱坐標(biāo)范圍為90～95 m，視電阻率為30 Ω·m，視電阻率相對較低;②第2處低阻異常區(qū)位于1406沿煤層回風(fēng)石門右側(cè)角度55°～62°，橫坐標(biāo)范圍為50～60 m，縱坐標(biāo)范圍為80～90 m，視電阻率為30 Ω·m，視電阻率相對較低;③第3處低阻異常區(qū)位于1406沿煤層回風(fēng)石門右側(cè)角度12°～33°內(nèi)，橫坐標(biāo)范圍為85～115 m，縱坐標(biāo)范圍為18～50 m，視電阻率為20～30 Ω·m，視電阻率相對較低，其他區(qū)域內(nèi)視電阻率值均較高。由圖5可知，探測區(qū)域內(nèi)視電阻率均高于80 Ω·m，無低阻區(qū)域。

綜上所述，設(shè)計的1406沿煤層回風(fēng)巷在探測區(qū)域內(nèi)均為高阻反應(yīng)，無裂隙帶、老窖蓄積區(qū)及含水層。在1406沿煤層回風(fēng)巷右側(cè)有低阻異常區(qū)域，可能存在裂隙含水。

圖4 沿水平方向探測成果

圖5 與水平方向成45°往底板方向探測成果

3 超前鉆探驗證

為了驗證瞬變電磁探測成果，確保設(shè)計巷道不經(jīng)過老窖及地表水滲入裂隙，在1406沿煤層回風(fēng)巷巷道開口前，在開口點(diǎn)位置沿巷道設(shè)計方位角90°、60°和30°施工探水鉆孔3個，鉆孔傾角均為5°。鉆孔布置情況見圖6。

圖6 鉆孔布置示意

鉆孔在施工過程中采用水力排粉無芯鉆進(jìn)，由鉆孔記錄資料可知:①90°方向的鉆孔鉆進(jìn)為全煤，在鉆進(jìn)過程中從鉆孔流出的水量正常，未發(fā)現(xiàn)鉆孔底發(fā)軟;②60°方向的鉆孔鉆進(jìn)為全煤，在鉆進(jìn)過程中從鉆孔流出的水量正常，未發(fā)現(xiàn)鉆孔底發(fā)軟;③30°方向的鉆孔鉆進(jìn)為全煤，在鉆進(jìn)過程中水的消耗量在90 m處出現(xiàn)水量增多的異?，F(xiàn)象，但隨后又恢復(fù)正常，未發(fā)現(xiàn)鉆孔底發(fā)軟。對上述鉆孔信息分析表明，該區(qū)域有小裂隙，存在少量的裂隙水，對巷道掘進(jìn)無影響。

4 結(jié)語

以貴州省息烽縣某礦1406沿煤層回風(fēng)巷為例，進(jìn)行瞬變電磁法探測，結(jié)果表明，該回風(fēng)巷左右?guī)图绊數(shù)装?0 m范圍內(nèi)均為高阻區(qū)，含水性弱，無大的水體及含水層，確定了該回風(fēng)巷前方水文地質(zhì)情況，與超前鉆孔驗證結(jié)果基本一致。這進(jìn)一步表明，瞬變電磁法探測結(jié)果可靠性較強(qiáng)，可用于礦井作業(yè)點(diǎn)水害預(yù)測。

［1］陳 娟，趙耀江.近十年來我國煤礦事故統(tǒng)計分析及啟示［J］.煤炭工程，2012(3):137-139.

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