兩種煤礦井下地質(zhì)探測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析

沈福斌，王施智，周子鵬，古 瑤，耿 清

(陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

目前礦井水害探測(cè)技術(shù)采用最多、最常規(guī)、最成熟的方法為礦井瞬變電磁法和井下三極直流電法，兩種勘探方法防治水效果均較明顯，然而由于不同礦井地質(zhì)條件、施工環(huán)境存在差異，其防治效果也存在明顯的差異，因此根據(jù)礦井的實(shí)際情況及兩種方法本身的特點(diǎn)，選擇合適的工作方法至關(guān)重要。

1 工作原理及裝置

1.1 瞬變電磁法

礦井瞬變電磁勘探屬于全空間效應(yīng)的勘探方法，采用重疊回線裝置。它利用不接地回線在井下巷道內(nèi)設(shè)置通有一定電流的發(fā)射線圈，并在其周圍空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次電磁場(chǎng)。當(dāng)電流突然斷開時(shí)，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失，為維持電流斷開之前存在的磁場(chǎng)，巖層中被激發(fā)出感應(yīng)電流。發(fā)射電流斷開的瞬間，最初激發(fā)的感應(yīng)電流集中于巷道附近巖層中，隨著時(shí)間的推移，巷道周圍的感應(yīng)電流逐漸向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱。在斷開發(fā)射電流的任一時(shí)刻，感應(yīng)電流在巷道內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀的電流磁場(chǎng)，這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線“吹”出來的一系列煙圈，因此將巷道頂、底板導(dǎo)電巖層中渦旋電流向外擴(kuò)散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”，如圖1所示。

圖1 “煙圈效應(yīng)”示意圖

1.2 直流電法

井下直流電法屬全空間電法勘探，采用三極裝置，其工作原理如圖2所示。它以巖石的電性差異為基礎(chǔ)，在全空間條件下建場(chǎng)，使用全空間電場(chǎng)理論，處理和解釋有關(guān)礦井水文地質(zhì)問題。測(cè)深法是研究深度方向地層電性變化規(guī)律，從而獲得深度方向地層各種地質(zhì)信息的一種物探方法。它是在同一點(diǎn)逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸變大，于是可以觀測(cè)到測(cè)點(diǎn)處沿深度方向由淺到深地層的變化特征。

圖2 三極測(cè)深工作原理示意圖

2 探測(cè)數(shù)據(jù)采集

2.1 瞬變電磁法

采用不接地回線進(jìn)行發(fā)射，2 m×2 m正方形回線，發(fā)射回線40匝，接收回線60匝，疊加次數(shù)為64次，發(fā)射電流4 A，盲區(qū)約20 m。工作面頂板探測(cè)時(shí)，按照與巷道頂板方向不同夾角進(jìn)行探測(cè)，以改變線框水平夾角實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板砂巖水的探測(cè)，線框與頂板平行(即探測(cè)方向與頂板夾角呈90°)和線框與頂板夾角呈45°(即探測(cè)方向與頂板夾角呈45°)(如圖3(A)、(B)所示)，點(diǎn)距一般為10 m最合適；

圖3 頂板探測(cè)(左)及超前探測(cè)(右)示意圖

巷道進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，按照與迎頭正前方不同夾角進(jìn)行扇面掃描(圖3(右))，布置15個(gè)掃描方位，左幫5個(gè)(左90°～左30°)，迎頭正前方5個(gè)(左15°～右15°)，右?guī)?個(gè)(右30°～右90°)，形成對(duì)迎頭左前方、正前方、右前方的探測(cè)。

2.2 直流電法

圖4 頂板探測(cè)(左)及超前探測(cè)(右)示意圖

進(jìn)行頂板砂巖水探測(cè)時(shí)，需提前在巷道頂板打電極孔，并塞入炮泥，其探測(cè)方向只有一個(gè)，即垂直頂板向上探測(cè)(圖4(上))，供電極距OA采用算術(shù)極距，極間距為10 m，最小OA選為25 m，最大發(fā)射電流100 mA。接收極距MN/2采用固定形式，為5 m和15 m，兩接口處取視電阻率平均值；進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，采用三點(diǎn)交匯法(圖4(下))，即距迎頭14 m處開始布設(shè)3個(gè)發(fā)射及接收電極，發(fā)射及接收距均為4 m，一次性布極，最大發(fā)射電流100 mA，無盲區(qū)。

3 綜合應(yīng)用案例

3.1 頂板水探測(cè)

瞬變電磁勘探解釋成果：圖5各含水層中，在路家小靈臺(tái)背斜附近，異常零星分布，規(guī)模較小；距切眼1 100～1 400 m附近、在距切眼750～1 000 m(F20、F21斷層)附近及距切眼400～650 m(F23、F24斷層)附近，各層位均存在不同規(guī)模的富水異常區(qū)。其中距切眼750～1 000 m及400～650 m附近，異常規(guī)模較大。

直流電法勘探解釋成果：圖6各含水層中，在路家小靈臺(tái)背斜附近、距切眼1 100～1 400 m附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，各層位均存在不同規(guī)模的富水異常區(qū)。其中在路家小靈臺(tái)背斜附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，異常明顯，且規(guī)模較大，距切眼1 100～14 00 m附近，異常規(guī)模較小。

圖5 瞬變電磁解釋成果圖

圖6 直流電法解釋成果圖

與水文地質(zhì)資料的對(duì)比：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，在路家小靈臺(tái)背斜附近，頂板存在少量的滲水現(xiàn)象，在帶式輸送機(jī)巷內(nèi)距切眼1 200 m附近，頂板存在淋水現(xiàn)象，在F20、F21斷層附近兩巷道頂板淋水較大，且在帶式輸送機(jī)巷內(nèi)頂板存在冒頂現(xiàn)象，在F23、F24斷層附近巷道頂板淋水現(xiàn)象，且在帶式輸送機(jī)巷內(nèi)頂板存在冒頂現(xiàn)象。由此可見，瞬變電磁勘探解釋成果與已知水文地質(zhì)資料相符，而直流電法勘探解釋成果與已知水文地質(zhì)資料存在一定偏差。

3.2 掘進(jìn)前方采空區(qū)探測(cè)

瞬變電磁解釋成果：圖7可以看出，順層方向共圈定5塊高阻異常區(qū)，分別編號(hào)為異常區(qū)1、異常區(qū)2、……異常區(qū)5。異常區(qū)1位于回風(fēng)探巷掘進(jìn)迎頭正前方左側(cè)30°至右側(cè)60°順層方向18～20 m處，近似帶狀，解釋為老窯巷道的電性反映，與掘進(jìn)揭露已知巷道位置吻合；異常區(qū)2位于回風(fēng)探巷右側(cè)45°方向45 m處，為橢圓狀，為小煤窯老空區(qū)的電性反映，與打鉆揭露的采空區(qū)位置對(duì)應(yīng)；異常區(qū)3位于回風(fēng)探巷左側(cè)75°～90°方向70～100 m處，解釋疑似采空區(qū)；異常區(qū)4位于回風(fēng)探巷右側(cè)60°～75°之間50～80 m處，該異常為疑似采空區(qū)；異常區(qū)5位于巷道右側(cè)15°方向，呈橢圓狀，受鉆孔空洞引起的高阻。從瞬變電磁超前探底板45°和頂板45°視電阻率等值線扇面圖中高阻異常為順層方向采空區(qū)體積效應(yīng)的影響。圖中低阻區(qū)為錨網(wǎng)和探測(cè)鉆孔鋼管影響所致。

直流電法超前探測(cè)解釋成果：從圖8可以看出，直流電法在橫向上視電阻率呈高低阻交替變化，在掘進(jìn)迎頭處視電阻率較高，在實(shí)際勘探過程中，迎頭處較為干燥，兩者相符；在18～21 m處視電阻率值較高，這與已知打鉆發(fā)現(xiàn)的老巷位置對(duì)應(yīng)較好；在31～33 m、42～46 m、55～57 m和80～86 m處視電阻率都比較高，根據(jù)直流電法超前探測(cè)原理，直流電法超前探測(cè)的是球狀體，故根據(jù)斷面圖可以看出異常的位置，但無法準(zhǔn)備定位異常的延展方向，結(jié)合瞬變資料，推斷這2處高阻異常應(yīng)為巷道東南方向的采空區(qū)反映。

a-頂板45°；b-順層；c-底板45°圖7 瞬變電磁超前探測(cè)解釋成果圖

圖8 直流電法超前探測(cè)解釋成果圖

4 結(jié)論

(1)瞬變電磁法采用不接地回線向巖層中供電，供電電流為4 A左右；而直流電法采用接地金屬電極向巖層中供電，最大供電電流小于100 mA。

(2)進(jìn)行頂板砂巖水及掘進(jìn)前方探測(cè)時(shí)，與直流電法相比，瞬變電磁可通過改變線框與巷道頂板的角度，進(jìn)行多方位探測(cè)，達(dá)到了提高解釋精度的目的。

(3)在進(jìn)行工作面頂板水探測(cè)時(shí)，礦井瞬變電磁探測(cè)效果與已知水文地質(zhì)資料基本吻合；在進(jìn)行掘進(jìn)前方采空區(qū)探測(cè)時(shí)，兩種勘探方法均取得了較好的地質(zhì)效果。但是瞬變電磁法可兼顧掘進(jìn)前方、左側(cè)及右側(cè)半圓形區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況。