礦井瞬變電磁法在東龐礦巷道迎頭富水性探測中的應(yīng)用研究

劉博 項望 孟紅星

（河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊 河北邢臺 054000）

礦井瞬變電磁法在東龐礦巷道迎頭富水性探測中的應(yīng)用研究

劉博 項望 孟紅星

（河北省煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊 河北邢臺 054000）

礦井巷道迎頭前方的構(gòu)造破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)、老窯采空區(qū)，陷落柱等富水體對巷道的安全掘進構(gòu)成了威脅，也是礦井發(fā)生突水事故的主要原因。應(yīng)用于井下的全空間瞬變電磁法超前探測技術(shù)，能夠有效的對巷道迎頭前方的水害進行提前預(yù)報和及時防治。本文結(jié)合冀中能源股份有限公司東龐礦9203工作面的礦井瞬變電磁工程實例，研究了礦井瞬變電磁超前探測裝置、施工設(shè)計及資料解釋流程。將探測成果和實際出水情況作對比，理性分析評價。

礦井瞬變電磁法；超前探測；富水性；東龐礦

1 前言

礦井安全生產(chǎn)是社會關(guān)注的焦點，煤礦突水也一直都是礦井生產(chǎn)單位重視的問題，因此如何確定掘進工作面前方和回采工作面頂?shù)装宓母凰允敲禾抠Y源開采中需要解決的問題。在開采過程中通常采用解決這一問題的傳統(tǒng)方法是鉆探，而鉆探成本較高，對于人力物力都有很大的消耗，且容易受到隔水層的干擾，引發(fā)事故。同鉆探相比，利用先進的科學地質(zhì)理論支撐的超前探測技術(shù)，在成本和便捷程度上都有無可比擬的優(yōu)勢。礦井瞬變電磁超前探測理論和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，在全國礦井地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和防治中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 礦井瞬變電磁法概述

2.1 礦井瞬變電磁法探查技術(shù)

井下瞬變電磁探測環(huán)境與地面差別很大，故回線組合裝置不能按地面條件選擇。①井下目標體距測點距離相對較近；②井下巷道空間有限，需要采用多匝數(shù)小回線裝置在煤礦井下巷道中進行探測。為了保證有足夠的發(fā)射功率和足夠強的有用感應(yīng)信息，通過多次數(shù)值模擬與物理實驗，設(shè)計了2m×2m的多匝數(shù)且發(fā)射線圈與接收線圈匝數(shù)不同的方形重疊回線測量裝置[1～3]。

2.2 資料處理及成果顯示技術(shù)

礦井瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對采集到的數(shù)據(jù)進行去噪處理，根據(jù)晚期場或全期場公式將儀器測量的電流歸一化值轉(zhuǎn)換成不同時間窗口對應(yīng)的視電阻率值，然后進行時深轉(zhuǎn)換處理，得到的各測線視電阻率斷面。

3 現(xiàn)場探測工程設(shè)計

3.1 探測工程概況

冀中能源集團東龐礦9203工作面位于北井工業(yè)廣場東側(cè)，在井下北鄰9201工作面，9201工作面已回采。該工作面煤層沉積較穩(wěn)定，煤層傾角變化不大，11～13°左右，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)相鄰9201工作面的實際揭露情況，9號煤一般含多層夾矸。相鄰的9201工作面，在切眼處通過鉆探驗證了小煤窯越界老空區(qū)的存在。

為了查明9203工作面掘進巷道前方水文地質(zhì)情況，查明工作面切眼外側(cè)是否存在老窯采空積水區(qū)，為工作面的安全回采提供物探技術(shù)資料，要求在9203工作面軌道巷、皮帶巷的兩巷迎頭進行礦井瞬變電磁法探測工作。

3.2 施工布置

本次礦井瞬變電磁法水文探測采用重疊回線裝置，發(fā)射和接收線框采用多匝2m×2m矩形回線。采樣時窗為：1～34，疊加次數(shù)：64，時間采用標準時間序列。

測點布置在巷道迎頭空間位置（見圖1），即從巷道迎頭左側(cè)開始，首先使發(fā)射、接收天線的法線垂直巷道左側(cè)面進行測量，然后按一定角度旋轉(zhuǎn)天線，使天線的法線方向與巷道的左側(cè)分別成 15°、30°、45°、60°，75°和90°的夾角進行探測，當天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置2～3個測點，到巷道迎頭右側(cè)時再旋轉(zhuǎn)天線，使法線方向與巷道右側(cè)分別成 90°、75°、60°、45°、30°和 15°的夾角進行探測。即在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測深技術(shù)。

圖1

在實際工作過程中對于圖1中的每個發(fā)射點，可調(diào)整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道底板10°、水平、順煤層、頂板20°和頂板30°五個方向（即圖1中1、2、3和4所示方向）的圍巖變化情況，其探測方向如圖3所示。這樣可得到位于巷道迎頭前方一個錐體范圍內(nèi)地層介質(zhì)的電性變化情況。

4 探測結(jié)果分析

4.1 9203皮帶巷K20點前50m掘進迎頭超前探測結(jié)果

圖2 底板方向視電阻率等值線圖（左）；順層方向視電阻率等值線圖（右）

圖3 頂板10°方向視電阻率等值線圖（左）；頂板30°方向視電阻率等值線圖（右）

圖2和圖3為在9203皮帶巷K20點前50m掘進迎頭處沿圖3中1、2、3、4 和 5 所示方向分別向底板 10°、水平、順煤層、頂板 20°四個方向探測的視電阻率等值線圖。在迎頭正前方及右前方（右側(cè)0～60m、前方55～110m所圈定范圍內(nèi)）對應(yīng)視電阻率值相對較低，可解釋為對應(yīng)范圍內(nèi)煤層及其底板裂隙相對較為發(fā)育且被低阻體或裂隙水充填（或存在煤層采空積水區(qū)）。巷道迎頭左前方對應(yīng)視電阻率等值線變化相對較為不明顯，說明巷道迎頭左前方對應(yīng)超前探區(qū)域內(nèi)地層連續(xù)性較好，無富水構(gòu)造或者采空積水區(qū)的存在。在巷道迎頭右前方（右側(cè)0～30m、前方65～110m及右側(cè)60～100m，前方30～70m范圍內(nèi)）具有局部低阻異常，可解釋為對應(yīng)區(qū)間內(nèi)存在局部裂隙發(fā)育且被低阻體充填。這兩個探測角度對應(yīng)的低阻異常的視電阻率值較圖4～5中低阻異常的視電阻率值偏高，說明異常區(qū)主要是煤層及其附近底板破壞區(qū)域。

綜合以上度個方向?qū)?yīng)的視電阻率等值線圖分析可知：在巷道掘進迎頭右前方（右側(cè)0～60m、前方55～110m所圈定范圍內(nèi)）煤層及其底板裂隙相對較為發(fā)育且被低阻介質(zhì)或裂隙水充填（或存在采空積水區(qū)）。

圖4 皮帶巷超前探測成果示意圖

4.2 地質(zhì)結(jié)論及驗證對比情況

9203切眼外側(cè)如圖5的探測異常區(qū)域局部賦水裂隙發(fā)育，綜合礦方提供的礦井水文地質(zhì)資料考慮與深部水力聯(lián)系不大，但考慮到工作面回采初次來壓之后可能導(dǎo)致局部水源涌入回采工作面，所以建議礦方在9203工作面掘進處布置探放水鉆孔驗證，排除隱患水源。

礦方根據(jù)礦井瞬變電磁勘探解釋成果，于9203工作面掘進迎頭后方10m處的20#鉆場布設(shè)1號抽放水鉆孔，與工作面掘進底板方向夾角10°，鉆孔深度120m，經(jīng)過礦方布設(shè)的鉆孔驗證，鉆孔掘進100m處開始出水，總共出水15m（3見圖5）。

圖5 20#鉆場1號探放水鉆孔施工示意圖

5 結(jié)論

礦井瞬變電磁法作為井下物探的新興方法，在全國大部分礦區(qū)逐漸得到了推廣和應(yīng)用，其應(yīng)用效果和帶來的經(jīng)濟和社會效益也逐漸得到認可。

（1）根據(jù)巷道條件給出了適應(yīng)性較強的現(xiàn)場觀測系統(tǒng)，深入分析總結(jié)了礦井瞬變電磁探測處理與解釋技術(shù)。

（2）理論結(jié)合工程實例，證明礦井瞬變電磁法探測是可行的，可以有效的探查巷道迎頭的富水性，并圈定異常區(qū)域范圍。效率高，成果顯著，為礦井安全生產(chǎn)提供可靠保障。

[1]于景邨.礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2007.

[2]虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：18～19.

[3]于景邨.礦井瞬變電磁法理論與應(yīng)用技術(shù)研[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2001.

[4]周嗣輝，于景郝，常江浩，等.錨網(wǎng)支護下礦井瞬變電磁響應(yīng)特征及處理技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41（3）：17～19.

P631.3+25

A

1004-7344（2016）18-0176-02

2016-6-1

劉博（1978-），男，工程師，本科，主要從事物探工作。