瞬變電磁法對掘進巷道前方充水老空區(qū)探測的應(yīng)用性研究

馮 輝

（山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000）

礦井瞬變電磁法是一種非接觸式的針對含水層、采空區(qū)等富水性探測的物探方法，可利用多裝置和多方向的形式來滿足探測要求，能夠?qū)w進行目的性的探測，是目前煤礦井下防治水工作中常用的物探方法。礦井瞬變電磁法具有施工效率高、投入及安全成本低的優(yōu)點，能夠適應(yīng)煤礦巷道空間狹小、存在大量鐵器等影響因素的施工條件。新村煤業(yè)15109回風(fēng)順槽掘進前方存在有原飛馬煤礦采空區(qū)，該采空區(qū)位于向斜槽部，地勢較低，原飛馬煤礦關(guān)閉后匯集了大量積水，但礦方缺少采空區(qū)的范圍和積水情況等資料，這對15109回風(fēng)順槽的掘進工作造成很大的安全隱患。如何有效利用礦井瞬變電磁法來探查工作面掘進前方老空區(qū)的積水情況。本文結(jié)合新村煤業(yè)15109回風(fēng)順槽的井下瞬變電磁探測實例進行說明。

1 工程概況

山西新村煤業(yè)有限公司地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°14′06″～113°16′52″，北緯36°52′40 ″～36°54′51″。井田位于武鄉(xiāng)縣東部，距武鄉(xiāng)縣約50 km，距長治市約105 km。該礦15109回風(fēng)順槽北起礦井西膠帶大巷，南接15109工作面開切眼，鄰礦井井田南界，東為15109備采工作面，西為井田小窯破壞區(qū)。本巷道掘進煤層為15#煤，位于石炭系太原組一段中部地層，煤層厚平均5.2m，傾角2°～15°。本次探測位置位于距15109回風(fēng)順槽開口605.6 m處（見圖1）。

2 礦井瞬變電磁法基本原理

依據(jù)時間域全空間瞬變電磁場的基本原理，通過發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場，這種迅速衰減的電場在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的渦流場（二次場），通過接收線圈測量二次場隨時間的變化特征，反映了感應(yīng)場所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律，通過礦井瞬變探測技術(shù)的信號處理、干擾校正、算法反演、時深轉(zhuǎn)換及成圖處理，進而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。利用煤礦各種地質(zhì)現(xiàn)象的不同電阻率反映，實現(xiàn)對迎頭以及巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等前方的富水區(qū)域進行較精確解析。

圖1 現(xiàn)場探測位置及區(qū)域示意圖

3 瞬變電磁法探測方案

3.1 設(shè)備選型及數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)

本次探測采用YCS40（A）礦用瞬變電磁儀進行數(shù)據(jù)采集工作。YCS40（A）礦用瞬變電磁儀是一種便攜式寬時窗范圍智能化的儀器，該儀器接收和發(fā)射一體化，體積小，重量輕，特別適合于井下超前探測和復(fù)雜地區(qū)情況下的水文地質(zhì)勘探，且效率高，抗干擾能力強。

根據(jù)瞬變電磁法基本原理，YCS40（A）礦用瞬變電磁儀的數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)如圖2所示，電磁場等效電流環(huán)將沿傾斜錐面地下擴散（圖2a），因此，一次電磁場向遠(yuǎn)處傳播范圍為一個錐體，其中箭頭所指方向為探測方向，虛線部分為探測范圍（圖2b）。在巷道內(nèi)布置探測方向角度主要是依據(jù)探測距離和煤層傾角來確定線框的布置，同時根據(jù)儀器的探測深度范圍來確定測點相隔距離，在保證探測精度的同時盡量減少工作量，提高工作效率。

3.2 探測方案確定

根據(jù)儀器數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)原理、工作面水文地質(zhì)情況及井下現(xiàn)場條件，本次探測發(fā)射和接收線框采用多匝2×2m矩形回線，發(fā)射頻率為8.3 Hz，發(fā)射電流為1.9～2.2 A。在迎頭橫向剖面上布設(shè)5個測點，依次從右?guī)偷阶髱?，測線橫向角度為60°、75°、90°、105°、120°，在縱向剖面上分別對頂板15°和順層方向兩個方向進行探測。探測方向及角度見圖3與圖4。

圖2 探測錐體示意圖

圖3 測點布置橫向剖面示意圖

圖4 測點布置縱向剖面示意圖

4 探測成果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。由于施工期間現(xiàn)場綜掘機距迎頭8 m，迎頭附近底板積水較多，對探測存在較大的干擾。為保證原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對出現(xiàn)畸變的數(shù)據(jù)采取重復(fù)采樣和提高疊加次數(shù)等方法進行處理。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括數(shù)據(jù)的拆分與組合、奇異點（道）數(shù)據(jù)剔除、道參修改及數(shù)據(jù)平滑處理等。

（3）數(shù)據(jù)核心處理。主要計算全程視電阻率。包括屏蔽校正、時間與深度的轉(zhuǎn)換及盲區(qū)校正等。

4.2 探測成果資料分析

數(shù)據(jù)處理后，得到15109回風(fēng)順槽超前探測視電阻率等值線擬斷面圖，如圖5與圖6所示。本次探測的感應(yīng)盲區(qū)為20 m。圖中，坐標(biāo)軸0點位置為本次物探迎頭位置，縱坐標(biāo)表示迎頭前方探測深度，橫坐標(biāo)軸負(fù)坐標(biāo)方向表示巷道左幫探測深度，橫坐標(biāo)軸正坐標(biāo)方向表示巷道右?guī)吞綔y深度。數(shù)值越小，表示該區(qū)域含水性越強。

圖5 頂板15°方向視電阻率等值線圖

從圖5頂板15°方向等值線圖看出，在有效探測深度100 m范圍內(nèi)，存在一處低阻異常，圖中標(biāo)為低阻異常區(qū)1，本異常區(qū)位于巷道掘進方向左側(cè)63°～95°，距離迎頭斜向距離71.6 m以遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。根據(jù)礦方的水文地質(zhì)資料分析，低阻異常區(qū)1推測可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

圖6 順層0°方向視電阻率等值線圖

從圖6順層方向等值線圖看出，在有效探測深度100 m范圍內(nèi)，存在一處低阻異常，圖中標(biāo)為低阻異常區(qū)2，本異常區(qū)位于巷道掘進方向左側(cè)66°～87°，距離迎頭斜向距離80.5 m以遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。根據(jù)礦方的水文地質(zhì)資料分析，低阻異常區(qū)2推測可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

5 探測結(jié)果驗證情況

礦方探放水隊在距開口635.5 m處（物探施工位置29.9 m后）鉆探和實際掘進揭露證實（鉆孔參數(shù)見表1）：其中2#鉆孔掘進方向右22°、+3°，打鉆60 m透空出水，約40m3/d，累計放水2556 m3。本次物探準(zhǔn)確預(yù)測了采空區(qū)積水位置及影響范圍。

表1 鉆孔參數(shù)表

6 結(jié)論

（1）通過對15109回風(fēng)順槽前方老空區(qū)瞬變電磁法探測結(jié)果及礦方實際鉆探驗證資料綜合對比分析，礦井瞬變電磁法較為準(zhǔn)確地確定了15109回風(fēng)順槽掘進前方充水老空區(qū)的位置及空間展布情況，表明采用礦井瞬變電磁探測技術(shù)，可以準(zhǔn)確有效地探測掘進巷道前方充水老空區(qū)情況，為礦井探放水工作提供必要的技術(shù)支撐，同時提高了探放水工作質(zhì)量和效率。

（2）本次探測現(xiàn)場存在一定的干擾源，對數(shù)據(jù)的采集造成一定的影響。在今后的井下物探工作中，應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水細(xì)則》第三十六條的規(guī)定執(zhí)行，要求距探測點20 m范圍內(nèi)不得存放掘進機、鐵軌、皮帶機架等大型金屬物體，且迎頭附近不得有積水，巷道內(nèi)動力電纜、大型機電設(shè)備必須停電。只有保證了原始數(shù)據(jù)的可靠性，才能確保最終探測成果的準(zhǔn)確性。

（3）建議礦方按照“物探先行、鉆探驗證”的綜合探測原則，根據(jù)物探結(jié)果，調(diào)整探放水設(shè)計，在掘進過程要針對迎頭前方的異常區(qū)域進行專項鉆探驗證，并形成驗證報告，從而完善探測區(qū)域內(nèi)的物探資料，為本礦其他工作面的物探解釋提供參考依據(jù)。