煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)探討與應(yīng)用

李鵬飛　賈子龍　張富明　趙興輝

摘 要：煤礦巷道掘進及工作面回采時，若前方存在富水區(qū)，易發(fā)生突水事故。采用煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)，可以探測煤礦掘進頭及工作面前方隱伏構(gòu)造的富水性。煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)通過觀測電磁感應(yīng)二次場進行探測，其具有工作效率高、線框布設(shè)靈活、橫向分辨率較高的特征。針對不同的地質(zhì)條件和工作任務(wù)，選擇適合的施工裝置和施工參數(shù)。掘進頭超前探實例中，超前探圈出的順層富水區(qū)鉆孔得以驗證，在工作面超前探實例中，煤層中注水區(qū)與超前探測成果一致，說明了煤礦井下應(yīng)用瞬變電磁超前探測技術(shù)探測富水區(qū)是有效的。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁;超前探;掘進頭;工作面

Abstract： Water inrush is easy to happen if there is water-enriched area in front of the coal mine during driving and working face mining. By using the advance detection with transient electromagnetic method in coal mines， the water-enriched property of the hidden structure in front of the mining head and working face can be detected. By observing the secondary field of electromagnetic induction， the technology has the characteristics of high efficiency， flexible layout of wire frame and high horizontal resolution. According to different geological conditions and work tasks， it needs selecting suitable construction equipment and construction parameters. In the case of advance exploration in the driving head， the drilling in the water-enriched area along the seam circled by advance exploration is verified. In the case of advance exploration in the working face， the results of water injection area in the coal seam are consistent with those of advance exploration， which shows the effectiveness of the underground transient electromagnetic technology for the water-enriched area.

Keywords： transient electromagnetic; advance detection; driving head; working face

0 前言

井下水患嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)的生產(chǎn)與建設(shè)，往往給礦井造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失及人員傷亡。井下物探是煤礦勘探的主要手段，可以對煤礦地質(zhì)構(gòu)造、富水安全隱患進行探測，井下物探方法靈活多樣，被稱為礦井物探的“輕騎兵”（楊增林等，2015）。瞬變電磁法勘探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于井上地面物探之中，在富水性探測中取得了比較好的效果，但由于距煤層較遠及地面電磁干擾源的影響，井上瞬變電磁法的分辨率受到影響。本文利用井下瞬變電磁超

前探測技術(shù)，在巷道掘進、工作面回采前，對迎頭、工作面內(nèi)進行富水性探測，由于距目標(biāo)體更近，可以有效預(yù)測迎頭前、工作內(nèi)的富水區(qū)，為探防水鉆孔的布設(shè)提供依據(jù)，因此井下瞬變電磁超前探測具有重要的現(xiàn)實意義。

1 煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)原理及特征

1.1 基本原理

瞬變電磁法又稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic methods，TEM），是通過觀測電磁感應(yīng)二次場進行探測。其工作基本原理：在發(fā)射線圈中通以一定波形的電流，產(chǎn)生一次電磁場，地下導(dǎo)電巖礦體會產(chǎn)生感應(yīng)電流，進行斷電，斷電后感應(yīng)電場會隨時間衰減（靳清芳，2014）。斷電后二次場隨時間變化不同，通過測量各個時間段的二次場，提取不同深度巖礦石的地電特征（李建文，2019）。

二次場的傳播可以用“煙圈效應(yīng)”來解釋（李貅，2002），任一時刻的二次電流位于探測面的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀電流所產(chǎn)生的磁場。若發(fā)射電流關(guān)斷后，環(huán)狀電流會由發(fā)射回線向外傳播擴散。圖1為瞬變電磁法電流關(guān)斷后一圈一圈的等效電流環(huán)，電法環(huán)像是從發(fā)射線圈中“吹”出來一樣，這種二次電流環(huán)向下、向外傳播的現(xiàn)象稱為“煙圈效應(yīng)”。

二次場的強弱、衰減快慢與探測地質(zhì)體電阻率高低有關(guān)，低阻會引起較強且衰減慢的二次場，導(dǎo)水?dāng)鄬酉萋渲?、采空積水巖層富水、金屬礦體屬于低阻地質(zhì)體（張軍等，2012）;高阻會引導(dǎo)起較弱且衰減較快的二次場，貧水區(qū)、不含水采空屬于高阻地質(zhì)體。

1.2 煤礦井下瞬變電磁特征

煤礦井下瞬變電磁法與其它物探方法有很大區(qū)別，主要有以下特點：

（1）工作效率高。井下瞬變電磁法儀器輕便方便攜帶，施工勞動強度大大減?。ㄓ诰暗?，2011）。

（2）線框布設(shè)靈活?？梢詫⒕€框放于巷道頂?shù)装?、平行于?cè)幫及迎頭。

（3）礦井瞬變電磁法采用小線圈測量，點距加密，降低體積效應(yīng)，提高橫向分辨率。

（4）礦井瞬變電磁可以探測巷道迎頭掘進前方煤巖層、隱含構(gòu)造的富導(dǎo)水性，可以探測回采工作面內(nèi)構(gòu)造分布和含水異常區(qū)的空間分布。

（5）礦井瞬變電磁探測一般會有20～30 m盲區(qū)，這是由于電流關(guān)斷后，早期信號發(fā)生了畸變。

（6）對金屬敏感，井下施工時探測數(shù)據(jù)容易受到金屬物的干擾，需要在數(shù)據(jù)處理和解釋過程中剔除明顯數(shù)據(jù)。

2 工作技術(shù)與方法

2.1 裝置選擇

瞬變電磁法裝置一般分為重疊回線裝置和中心回線裝置（李云波，2012），中心回線裝置一般應(yīng)用于地面瞬變電磁法，重疊回線裝置是井下瞬變電磁法常用裝置（圖2），重疊回線裝置包括了瞬變電磁儀、發(fā)射機、接收回線、發(fā)射回線及連接線。通過兩根炭纖維絕緣桿將接收回線與發(fā)射回線綁成方形線圈，通過連接線將發(fā)射回線、接收回線與瞬變電磁儀進行連接，重疊回線裝置的連接完成。

2.2 裝置參數(shù)設(shè)置

裝置參數(shù)設(shè)置合理與否直接影響探測效果，井下瞬變電磁法采用了多匝小回線裝置主要的設(shè)置參數(shù)有：發(fā)射線圈長度（1～2 m）、接收線圈長度（1～2 m）、發(fā)射線圈匝數(shù)（0～40匝）、接收線圈匝數(shù)（0～40匝）、疊加次數(shù)（0～100次）、電流大小調(diào)節(jié)（0～50 A）等。

線圈長度與發(fā)射磁矩成正比，線圈長度越長，發(fā)射磁矩越大，但同時體積效應(yīng)也越大，線圈長度小，體積效應(yīng)越小，探測縱、橫向分辨率越高。井下瞬變電磁法施工區(qū)域為井下巷道內(nèi)，施工空間有限，線圈長度受到巷道空間的約束，為了便于施工，線圈長度不宜過大，一般邊長小于2 m。大小功率選擇與電流大小調(diào)節(jié)可以控制信號的強弱，線圈匝數(shù)與發(fā)射磁矩成正比，匝數(shù)越多，探測深度越大。疊加次數(shù)越多有效信號越多?？傊诰滤沧冸姶欧碧绞┕r，要根據(jù)不同的任務(wù)要求和井下實際施工條件情況，合理選擇各參數(shù)，使線圈長度、疊加次數(shù)、線圈匝數(shù)、功率及電流參數(shù)選擇合理，在井下探測取得較好效果的前提下，能夠提高探測工作效率并減小施工強度。

2.3 施工布置

井下瞬變電磁探測主要對迎頭、工作面內(nèi)進行超前探測，預(yù)測迎頭前方、工作面內(nèi)的含水異常。

（1）掘進頭超前探測布置

掘進頭超前探測施工布置主要的參數(shù)為：探測方向、探測角度。

根據(jù)重疊回線裝置多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，線框平面的法線方向為探測方向（圖3a），探測角度設(shè)置的原則是從左側(cè)幫到右側(cè)幫180°范圍內(nèi)的盡量做到掌子面迎頭全面覆蓋，形成對迎頭左側(cè)幫、左前方、正前方、右前方、右側(cè)幫的扇面探測，探測角度越多，探測信息越豐富，但同時會降低工作效率，井下瞬變電磁法一般設(shè)置11個探測角度，分別為：左0°、左30°、左45°、左60°、左90°、90°、右90°、右60°、右45°、右30°、右0°（圖3b）。探測角度可根據(jù)探測任務(wù)進行角度的加減。

探測角度為線框與掌子面的夾角，一般設(shè)3個角度：上30°（頂板方向、圖4a）、0°（順層方向、圖4b）、下30°（底板方向、圖4c）。探測角度可以根據(jù)探測任務(wù)和礦方的要求進行相應(yīng)的修改或增加。

掘進頭迎頭瞬變電磁超前探測一般布置3個探測角度，11個探測方向。每個探測角度為1條測線，11個探測方向為每條測線上的11個點。每條測線形成1個視電阻率扇形圖，共形成3個扇形圖。

（2）工作面超前探測布置

切眼形成后，沿左、右順槽對工作面區(qū)域進行超前探測，圖5紅色虛線部分為探測區(qū)域，工作面一般為一長方體，因而也俗稱對“豆腐塊”進行探測。工作面探測點距之間一般2～20 m，探測角度的設(shè)置同掘進頭超前探測布置。

3 探測實例及效果

3.1 掘進頭超前探測實例

晉城某煤礦90113主巷迎頭掘進頭超前探測布置時，礦方要求向上能夠探測到上組煤層的采空積水，上組煤層距探測煤層60 m，斜向上30°方向垂向探測距離只有50 m，不能滿足礦方要求，所以增加1條斜向上45°方向測線，垂向探測距離達到了71 m，滿足了礦方的要求。

使用參數(shù)為發(fā)射線圈長度1.5 m、接收線圈長度1.5 m、發(fā)射線圈匝數(shù)16匝、接收線圈匝數(shù)40匝、疊加次數(shù)60次、電流大小為50A。探測位置為312點前125 m，經(jīng)數(shù)據(jù)處理共獲得實測扇形剖面4幅，分別為掘進頭斜向上45°方向探測扇形剖面、掘進頭斜向上30°方向探測扇形剖面、掘進頭順層前方探測扇形剖面、掘進頭斜向下30°方向（圖6）。圖中顏色填充表示視電阻率（Ω·m），藍色和淡藍色區(qū)域為低阻異常區(qū)，黃白色區(qū)域為高阻體，橫坐標(biāo)0 m處表示迎頭位置，左右正負（m）表示左右?guī)途嘤^距離，縱坐標(biāo)表示迎頭前方距迎頭距離（m）。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析結(jié)合已知的工作面地質(zhì)資料及以往物探工作經(jīng)驗進行含水異常區(qū)解釋，解釋原則為視電阻率值小于等于10Ω·m。圖6中的紅色虛線部分為解釋的低阻異常區(qū)，斜向上45°方向扇形剖面圈出低阻異常2處，距掘進頭較遠，可能與上組煤層老窯積水有關(guān); 90111工作面巷道位于探測巷道的左側(cè)幫，順層方向和底板方向可以明顯看出左側(cè)幫低阻異常，認為此異常受90111巷道內(nèi)皮帶機等金屬的影響;順層方向正前方有一處異常，建議礦方重點勘探驗證。

礦方本著“物探先行，鉆探驗證”的原則，根據(jù)超前探測結(jié)果在巷道向前掘進前鉆探，鉆探結(jié)果順層正前方長鉆有出水現(xiàn)象，與解釋成果相符。

3.2 工作面超前探測實例

榆次某煤業(yè)有限公司15下0101回采工作面進行瞬變電磁超前探測，使用參數(shù)為發(fā)射線圈長度1.5 m、接收線圈長度1.5 m、發(fā)射線圈匝數(shù)16匝、接收線圈匝數(shù)40匝、疊加次數(shù)60次、電流大小為50 A。探測工作面長100 m，切眼寬140 m，施工時的點距為5 m，沿左右順槽進行對穿，3個探測角度，以順層方向為例說明。圖7、圖8分別為左、右順槽順層方向剖面圖，圖中橫坐標(biāo)0 m處表示切眼與順槽相交位置，縱坐標(biāo)表示工作面內(nèi)距順槽距離，顏色填充表示視電阻率（Ω·m）。

從圖7、圖8中可以看出左、右順槽均受到切眼處綜掘機的影響而在切眼附近為低阻異常區(qū)，圖7、圖8中橫坐標(biāo)0 m附近1#藍色異常部分;左順槽60～100 m處停有大型的移動電站，對數(shù)據(jù)的影響較大，圖7中2#藍色異常部分;右順槽8～18 m，距巷道35～90 m處的異常區(qū)（圖8中1#紅色異常部分），視電阻率值小于4Ω·m，后經(jīng)礦方驗證在探測之前有過注水情況，與解釋結(jié)果相符。

4 存在問題

煤礦井下防治水工作直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)（殷小寶，2019），井下瞬變電磁超前探測技術(shù)是煤礦井下探水最為有效的方法之一。但我們也必須清楚地認識到井下瞬變電磁超前探測還有一些問題沒有解決，如探測盲區(qū)問題、井下金屬干擾及多解性問題（王力，2011），本次探測實例中探測盲區(qū)0～30 m（圖6、圖7中前30 m范圍內(nèi)為探測盲區(qū)，表現(xiàn)為特高電阻），并且探測數(shù)據(jù)不可避免地會受到井下錨桿網(wǎng)的影響。所以在井下條件具備時，可配合無線電波透視法、礦井直流電法、井下槽波等方法綜合探測、綜合解釋（段建華，2009），為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護航。

5 結(jié)論

掘進頭超前探實例中，順層富水區(qū)鉆孔得以驗證，工作面超前探測實例中，工作面內(nèi)的富水異常區(qū)為煤層注水區(qū)，說明了煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)對富水區(qū)較敏感，尤其當(dāng)掘進前方采空區(qū)內(nèi)存在積水時，采用瞬變電磁超前探測技術(shù)會做出相應(yīng)預(yù)測預(yù)報，嚴(yán)防井下突水事故的發(fā)生。

煤礦井下瞬變電磁超前探測技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，為煤礦的安全生產(chǎn)起到了重要的作用，煤礦生產(chǎn)必須遵守“物探先行、鉆探驗證”的原則，扎實有效地做好巷道掘進及工作面回采超前探測工作，利用探測成果進行重點鉆探驗證，確保巷道的安全掘進和回采工作面的安全生產(chǎn)。

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