瞬變電磁法在煤礦防治水工作中的應(yīng)用

肖 杰，焦當(dāng)云

作為世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)和生產(chǎn)國(guó)，我國(guó)長(zhǎng)期大范圍的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致全國(guó)各地均不同程度地出現(xiàn)地面或地下采空區(qū)。采空區(qū)造成的煤礦災(zāi)害最為大眾所知的就是水害事故，近些年來(lái)，煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要任務(wù)就是防止水害事故的發(fā)生。由此催生了各種防治水技術(shù)手段，其中以超前物探和超前鉆探技術(shù)為主。物探以其勞動(dòng)強(qiáng)度小、效率高以及覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)先于鉆探而行。鉆探主要探測(cè)和驗(yàn)證物探異常區(qū)。物探已經(jīng)成為煤礦至關(guān)重要的一種探測(cè)技術(shù)手段。瞬變電磁法是一種近些年來(lái)發(fā)展很快的物探手段，是一種時(shí)間域電磁法。由于其探測(cè)效果好、裝備便攜且施工技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在煤礦上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 礦井瞬變電磁儀的工作方法

礦井瞬變電磁儀工作的前提是水與圍巖的電性差異。在自然狀態(tài)下不同的地質(zhì)介質(zhì)具有不同的導(dǎo)電性，但由于其導(dǎo)電性差異很小，所以很難用儀器來(lái)測(cè)量。而自然狀態(tài)的地下水具有良好的導(dǎo)電性，當(dāng)煤系地層中具有儲(chǔ)水裂隙或其它蓄水空間時(shí)，該含水體就會(huì)表現(xiàn)出與圍巖截然不同的電性差異。

地面瞬變電磁法是在探測(cè)區(qū)域地表鋪設(shè)發(fā)射回線，在發(fā)射回線中持續(xù)提供階躍脈沖電流，從而在回線四周空間中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電磁場(chǎng)，稱為一次磁場(chǎng)；然后將電流突然斷開(kāi)，此時(shí)一次磁場(chǎng)也同時(shí)消失，此時(shí)根據(jù)電磁感應(yīng)定律一次磁場(chǎng)的劇烈變化會(huì)激發(fā)大地產(chǎn)生二次感應(yīng)電流，二次感應(yīng)電流同樣會(huì)隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，由于二次磁場(chǎng)是由大地地質(zhì)體產(chǎn)生，所以就會(huì)反應(yīng)地質(zhì)體的一些個(gè)體特征，故瞬變電磁儀觀測(cè)的便是二次磁場(chǎng)的變化情況[1]。

地面瞬變電磁法是半空間的，這時(shí)由于電磁場(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播的速度慢，而在空氣中傳播的速度要快得多，二次磁場(chǎng)和二次電流主要產(chǎn)生于地表及以下。但井下瞬變電磁法在工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在全空間分布開(kāi)來(lái)，是一種全空間響應(yīng)的電磁法。

井下瞬變電磁儀可以根據(jù)不同的擺放角度探測(cè)不同方向的異常體。將線圈平面平行于巷道兩側(cè)煤幫時(shí)，可以探測(cè)頂?shù)装搴凸ぷ髅鎯?nèi)部的異常體；將線圈平面平行于工作面迎頭煤幫，可以探測(cè)巷道掘進(jìn)方向的異常體；將線圈平放于巷道底板，可以探測(cè)底板以下的異常體以及其在橫向上的發(fā)展規(guī)律。另外根據(jù)發(fā)射回線掃描方向的不同，井下瞬變電磁儀的超前探測(cè)又分為上下掃描和左右掃描兩種工作方式，上下掃描的方式主要用于探測(cè)一定范圍內(nèi)垂向上的異常體，而左右掃描方式主要是用于探測(cè)一定范圍內(nèi)橫向上的異常體，其側(cè)重點(diǎn)不同，煤礦井下一般采用的是上下掃描方式。探測(cè)工作結(jié)束判定含水異常體位置時(shí)，一定要充分考慮到掃描方式，同時(shí)一定要結(jié)合實(shí)際揭露的地質(zhì)資料綜合分析判定。

2 實(shí)際應(yīng)用案例

2.1 宜興煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)巷瞬變電磁探測(cè)

宜興煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)巷工作面西部為原孟南莊小窯采空區(qū)，東部為一采區(qū)膠帶巷，東部、南部均為實(shí)體煤。該巷道在山西組2號(hào)煤層中掘進(jìn)，掘進(jìn)層位為2號(hào)煤頂板，該巷道寬4.5 m，高3.3 m，煤層傾角為-1°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂?shù)装鍘r性均為灰黑色泥巖。該工作面水文地質(zhì)條件為中等，不帶壓，主要含水層為位于煤層頂板的K8砂巖，其富水性差，不會(huì)對(duì)工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生威脅，但是會(huì)惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境。工作面的主要水害威脅為原孟南莊小窯采空區(qū)積水，另由于原礦方移交的資料準(zhǔn)確性較差，故本次探測(cè)的主要目的是探查一采區(qū)回風(fēng)巷頂板、順層方向的富水情況以及西部小窯積水情況。

探測(cè)前對(duì)電纜、綜掘機(jī)等停電，綜掘機(jī)退后工作面30 m，排盡工作面的積水，線框嚴(yán)禁搭接水體或金屬網(wǎng)。根據(jù)探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)探測(cè)方向?yàn)槠叫许槍右约皟A向頂板30°方向，每個(gè)方向14個(gè)物理點(diǎn)，28組數(shù)據(jù)。本次探測(cè)使用的是福建華虹YCS40A型礦用瞬變電磁儀，發(fā)射頻率8.3 Hz，發(fā)射機(jī)電流最大為4.5 A，儀器狀況良好，數(shù)據(jù)全部合格。經(jīng)資料處理形成見(jiàn)圖1的成果圖，由成果圖可以直觀地看到頂板方向100 m范圍內(nèi)不存在低阻異常區(qū)；順層方向196°方位角30 m處存在低阻異常區(qū)，分析為原孟南莊小窯空巷，或存有采空區(qū)積水。結(jié)合已經(jīng)揭露的地質(zhì)資料及物探結(jié)果，經(jīng)礦地測(cè)防治水專業(yè)組討論，決定向異常區(qū)方向布置三個(gè)鉆孔，鉆孔傾角均為水平零度，終孔距離均為1.5 m，根據(jù)鉆探結(jié)果再?zèng)Q定下一步探測(cè)手段。

圖1 一采回風(fēng)巷瞬變電探測(cè)成果

經(jīng)探放區(qū)施工、三個(gè)驗(yàn)證鉆孔中有兩個(gè)鉆孔探測(cè)到采空區(qū)，這兩個(gè)鉆孔中有一個(gè)鉆孔有少量出水。根據(jù)首次鉆探結(jié)果又施工了兩個(gè)鉆探驗(yàn)證孔，均打到采空區(qū)，證實(shí)采空區(qū)確實(shí)只有少量積水，但不會(huì)對(duì)工作面形成威脅。

2.2 宜興煤業(yè)1200材料巷瞬變電磁探測(cè)

1200材料巷工作面北部為井田邊界，東部距曙光煤業(yè)采空區(qū)40 m，南部為1201采空區(qū)，西鄰560集中軌道巷。該巷道沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道寬4.5 m，高2.9 m，煤層傾角為-3°，煤層厚度約為1.3 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接頂為灰白色細(xì)粒砂巖，直接底為灰黑色泥巖。該工作面水文地質(zhì)條件為中等，不帶壓，主要含水層為位于煤層頂板的K8砂巖，其富水性差，不會(huì)對(duì)工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生威脅，但是會(huì)惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境，主要水害隱患是相鄰的曙光煤業(yè)采空區(qū)積水。故本次探測(cè)布置兩個(gè)方向即可滿足工作要求，即順層方向和頂板方向。

探測(cè)前對(duì)工作面除瓦斯傳感器、電話以外的所有電器停電，綜掘機(jī)退后工作面30 m，排盡迎頭積水，因頂板問(wèn)題工作面迎頭左右兩幫各有一個(gè)單體液壓支柱未撤離。本次探測(cè)共布置14個(gè)物理點(diǎn)，28組數(shù)據(jù)全部合格。采集數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成圖，頂板方向20 m范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)，分析為受到工作面迎頭左右兩幫的單體液壓支柱影響；順層方向左幫20 m范圍內(nèi)存有異常區(qū)，分析可能受單體液壓支柱影響，右?guī)?0 m范圍內(nèi)存有異常區(qū)，分析可能受單體液壓支柱或曙光煤業(yè)采空區(qū)影響。

為確保工作面掘進(jìn)安全，根據(jù)汾西礦業(yè)集團(tuán)公司“物探異常區(qū)必須鉆探驗(yàn)證”的規(guī)定，分別向三個(gè)異常區(qū)方向共施工了6個(gè)鉆孔，每個(gè)方向兩個(gè)鉆孔，終孔位置為異常區(qū)位置，其中頂板方向及左幫均為實(shí)體煤，右?guī)?0 m處為采空區(qū)，無(wú)積水。結(jié)合地質(zhì)資料分析探測(cè)結(jié)果合理有效。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，井下瞬變電磁儀在含水異常體探測(cè)中效果明顯，結(jié)果準(zhǔn)確，值得大量推廣使用。該探測(cè)方法施工簡(jiǎn)單、儀器便于攜帶，工作時(shí)間短，不影響礦井正常生產(chǎn)作業(yè)，即能滿足防治水工作需要，又不影響生產(chǎn)需要。但是井下由于特殊的支護(hù)環(huán)境，金屬質(zhì)地的網(wǎng)片、錨桿等難免會(huì)對(duì)儀器造成影響，故一定要將影響因素降到最低，同時(shí)要結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，物探異常區(qū)必須通過(guò)鉆探驗(yàn)證，如此便能確保礦井不發(fā)生水害事故。

〔1〕張 濤.瞬變電磁法在尋找淺部地下水的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2011(12)：66-67.