瞬變電磁技術(shù)在金辛達(dá)煤業(yè)防治水工作中的應(yīng)用

高剛剛

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

礦井瞬變電磁法是利用電磁感應(yīng)定律，根據(jù)瞬變電磁對(duì)低阻體的感應(yīng)敏捷特點(diǎn)。利用人工發(fā)射線圈加以脈沖電流，產(chǎn)生一個(gè)瞬變的電磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)礦井水文構(gòu)造的探測(cè)。根據(jù)山西省各煤礦的防治水工作的嚴(yán)格要求，金幸達(dá)煤礦根據(jù)”物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”綜合探測(cè)驗(yàn)證制度，選用瞬變電磁技術(shù)探測(cè)，使礦井鉆探工作有針對(duì)性和可靠性，為礦井解決了防治水工作難題。

1 瞬變電磁法物探

1.1 探測(cè)內(nèi)容

對(duì)煤礦來(lái)說(shuō)，瞬變電磁法探測(cè)主要用于：①施工掘進(jìn)巷道前方富水性探測(cè)；②工作面煤層頂板水害探測(cè)；③工作面煤層底板水害探測(cè)；④工作面斷層、陷落柱、老空區(qū)等富水性探測(cè)；⑤廢棄不良鉆孔富水性檢測(cè)。

1.2 物探技術(shù)要求

圖1 瞬變電磁法探測(cè)方向示意圖

掘進(jìn)工作面瞬變電磁法探測(cè)：設(shè)計(jì)礦井瞬變電磁法超前探測(cè)方向7個(gè)，如圖1所示，分別是6個(gè)橫向探測(cè)方向(與巷道頂板呈15°、30°、45°夾角向前方頂板探測(cè)、順層方向向前方探測(cè)、與巷道底板呈15°、30°、45°夾角向前方底板探測(cè))和1個(gè)縱向探測(cè)方向。每個(gè)橫向探測(cè)方向布置橫向探測(cè)角度13個(gè)，如圖2(a)，分別是左側(cè)幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、右側(cè)幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，6個(gè)橫向探測(cè)方向共布置78個(gè)探測(cè)角度；縱向探測(cè)方向布置13個(gè)探測(cè)角度如圖2(b)，分別是頂板(90°、75°、60°、45°、30°、15°)、正前方(0°)、底板(-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°)，7個(gè)探測(cè)方向共計(jì)91個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。探測(cè)時(shí)可根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)與水文地質(zhì)情況及探測(cè)目的，對(duì)探測(cè)方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(增加或減少探測(cè)方向)。

a-橫向探測(cè)；b-縱向探測(cè)圖2 瞬變電磁法探測(cè)角度示意圖

回采工作面探測(cè)：礦井瞬變電磁法探測(cè)測(cè)線可布置在工作面軌道順槽、皮帶順槽內(nèi)或其它巷道內(nèi)，測(cè)點(diǎn)間距一般為5～20 m。探測(cè)巷道頂板和底板電阻率分布時(shí)，可以把線圈水平放置巷道內(nèi)。若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測(cè)巷道側(cè)上方頂板或側(cè)下方底板一定范圍的電阻率分布，圖3為工作面瞬變電磁法探測(cè)布置示意圖，探測(cè)時(shí)可根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)與水文地質(zhì)情況及探測(cè)目的，對(duì)探測(cè)方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(增加或減少探測(cè)方向)。

圖3 工作面物探測(cè)線方向示意

1.3 瞬變電磁探測(cè)法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：直接識(shí)別地下煤層含水情況特別直觀，探測(cè)方向性明確，操作簡(jiǎn)單3人就可以操作，不需要復(fù)雜的理論推演，探測(cè)時(shí)間短，不受地形影響，一個(gè)掘進(jìn)面探測(cè)工作開(kāi)始到結(jié)束，用時(shí)35 min。

缺點(diǎn)：抗干擾能力弱、有探測(cè)盲區(qū)，探測(cè)距離短。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)抗干擾措施

為了減少現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)干擾，應(yīng)注意：①瞬變電磁距離綜掘機(jī)等大型鐵器至少5 m以上；②線圈距離錨網(wǎng)至少1 m以上；③線圈距離刮板輸送機(jī)至少0.5 m以上；④切斷施工區(qū)域100 m范圍之內(nèi)高壓線等強(qiáng)電力干擾源；⑤清理施工區(qū)域淤泥、積水、浮煤、浮矸等。

2 現(xiàn)場(chǎng)物探

2.1 設(shè)備選用

金辛達(dá)煤礦采用TEMHZ 75型瞬變電磁儀及其探測(cè)軟件進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集分析。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境(表1)

表1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)環(huán)境描述

根據(jù)本次探測(cè)地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境觀測(cè)，干擾源主要有：甲烷傳感器、掘進(jìn)機(jī)、鐵質(zhì)雜物及底板工程積水等，會(huì)干擾本次瞬變電磁采集的數(shù)據(jù)。

2.3 探測(cè)點(diǎn)布置

本次探測(cè)，采用扇形布置方法，從巷道左側(cè)開(kāi)始，巷道縱向布置3個(gè)方向頂板20°方向、順層方向、底板20°方向，每個(gè)方向按12°間隔旋轉(zhuǎn)線圈，如圖4所示共布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)。

a-平面圖；b-剖面圖圖4 平面探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

2.4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)

本次探測(cè)自2017年4月25日結(jié)束現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作，現(xiàn)場(chǎng)工作共計(jì)1 d，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量見(jiàn)表2。

表2 瞬變電磁現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 瞬變電磁法處理技術(shù)

該流程為：新建工程—測(cè)線拆分組合—道參設(shè)置—晚期視電阻率計(jì)算—surfer軟件處理—Voxler三維處理—數(shù)據(jù)形態(tài)分布分析，按人機(jī)界面操作。

3.2 測(cè)點(diǎn)-電壓曲線圖及晚期電阻率設(shè)置

根據(jù)儀器性能參數(shù)及瞬變電磁探測(cè)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮，將視電阻率約束到80 Ωm，先按默認(rèn)值成圖，再將成圖的視電阻率最大值與80 Ωm相比，再用默認(rèn)值(10 000)除以該系數(shù)得到視電阻率系16 500；將深度約束到100 m，先按默認(rèn)值(50)成圖，將成圖的最大測(cè)深與100 m相比，再用默認(rèn)值(50)除以這個(gè)系數(shù)就得到深度系數(shù)59。

3.3 數(shù)據(jù)分析與解釋

瞬變電磁解釋原則：電阻率值從高到低排序?yàn)橹旅芑規(guī)r、煤層、砂巖、粘土巖類。根據(jù)該理論可分析出巷道前方低阻分布情況，結(jié)合已有的地質(zhì)資料，預(yù)測(cè)含水地質(zhì)體的位置及規(guī)模，以便礦方有針對(duì)性地設(shè)計(jì)探放水方案，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

探測(cè)解釋：根據(jù)探測(cè)成果中的低阻異常區(qū)域的大小及電阻率值等級(jí)分布對(duì)掘進(jìn)巷道安全影響由大到小，主要形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級(jí)分類，其中，Ⅰ級(jí)為富水性特強(qiáng)區(qū)域，一般定義為受老空水或溶洞影響，必須對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，以探明異常區(qū)域是否積水及積水范圍；Ⅱ級(jí)為富水性較強(qiáng)區(qū)域，一般定義為煤層或砂巖含水層局部富水性強(qiáng)或者存在較強(qiáng)導(dǎo)水通道的區(qū)域，必須對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證；Ⅲ級(jí)為富水性較弱區(qū)域，一般定義為受砂巖含水層或?qū)當(dāng)鄬佑绊憛^(qū)域(也可定義為受采區(qū)巷道支護(hù)、電纜等其他影響)，可按照正常探放水設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

頂板20°方向探測(cè)成果：在此方向發(fā)現(xiàn)1處低阻異常區(qū)，異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方，距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。據(jù)資料分析可知，K4、K3、K2石灰?guī)r為11#煤層直接充水含水層，厚度變化大，裂隙溶隙較發(fā)育，分析低阻異常區(qū)可能受灰?guī)r含水層局部富水性較強(qiáng)或斷層裂隙相對(duì)富水影響。根據(jù)低阻異常評(píng)價(jià)等級(jí)分類，劃定為Ⅱ類異常區(qū)，如圖5所示。

圖5 頂板20°方向探測(cè)成果

順層方向探測(cè)成果：順層方向未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)，如圖6所示。

底板20°方向探測(cè)成果：底板20°方向未發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)，如圖7所示。

圖6 順層方向探測(cè)成果

圖7 底板20°方向探測(cè)成果

3.4 鉆探驗(yàn)證

物探發(fā)現(xiàn)頂板20°方向1處低阻異常區(qū)，異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方，距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。根據(jù)資料分析可知，K4、K3、K2石灰?guī)r為11#煤層直接充水含水層。針對(duì)本異常區(qū)金辛達(dá)煤礦組織探水隊(duì)進(jìn)行打鉆驗(yàn)證，總共設(shè)計(jì)3個(gè)探眼進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔內(nèi)均有水流出，水量1.3 m3/min。經(jīng)化驗(yàn)比對(duì)，為本礦K4、K3、K2石灰?guī)r含水層的水。

4 結(jié)語(yǔ)

本次物探發(fā)現(xiàn)頂板20°方向1處低阻異常區(qū)，異常區(qū)YC1位于探測(cè)位置正前方，距離迎頭70 m以遠(yuǎn)。確定了掘進(jìn)巷道前方的水害隱患位置，結(jié)合鉆探驗(yàn)證手段和水質(zhì)化驗(yàn)，充分顯示了瞬變電磁法探測(cè)快捷、方向明確、水體識(shí)別直觀等特點(diǎn)，為礦井防治水工作提供了可靠的地質(zhì)資料。