盛泰煤業(yè)15202順槽瞬變電磁探測富水性應用

（山西晉能集團盛泰煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

山西煤炭運銷集團盛泰煤業(yè)15202運輸順槽位于井田二采區(qū)中部，東部225 m與15201工作面相鄰，西部20 m為后莊溝、迪陽村、石堂會村保安煤柱，南部為礦井邊界保護煤柱，北部25 m為西翼膠帶大巷、57 m為西翼軌道大巷。巷道沿15號煤層底板掘進，設(shè)計長度2624m，斷面為矩形，巷道設(shè)計凈寬5m，巷高4m，支護方式采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。

15#煤層頂板為K2灰?guī)r，K2灰?guī)r為煤層的直接頂巖層，厚度為6.23～11.35m，在部分地段巖溶裂隙較發(fā)育，富水性較強，為本工作面的直接充水水源；K3灰?guī)r距15#煤層頂板19.19m，該層厚度約3.62m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強；K4灰?guī)r距15#煤層33.19m，該層厚度為3.79m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強，工作面上覆存在著3#煤層采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)含有大量積水，3#煤層與15#煤層間的平均間距為110 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，運輸順槽開口125m的位置處發(fā)育一個陷落柱，但該陷落柱的發(fā)育高度地質(zhì)資料中并無數(shù)據(jù)，為防止其導通頂板巖溶裂隙水，巷道掘進通過時出現(xiàn)突水事故，充分保障巷道掘進期間的安全，采用瞬變電磁進行超前探測含水性。

2 瞬變電磁探測技術(shù)

在煤礦井下巷道掘進作業(yè)施工過程中，由于巷道前方煤巖體可能會與地質(zhì)構(gòu)造作用、采空區(qū)或封閉鉆孔等存在富水區(qū)域的空間導通，為保障巷道掘進期間的安全，采用瞬變電磁超前探測技術(shù)進行巷道掘進頭前方富水情況的探測，以了解前方的富水特性[1-2]。

瞬變電磁法的基本原理是通過接地線圈向工作面內(nèi)發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場的間斷時間接地線圈和電極會分別探測形成二次渦流場，以此有效區(qū)分探測區(qū)域的不同電阻率，并能夠根據(jù)探測得出的數(shù)據(jù)，采用扇形成圖方法，在實際平面位置處繪制不同深度測點的電阻率數(shù)值，繪制得出探測區(qū)域的電阻率等值線圖[3]。瞬變電磁法運用雙“煙圈”理論，渦流場的極大值出現(xiàn)在發(fā)射圈前方的探測面處，且其隨著時間的推移渦流場處會出現(xiàn)類似于煙圈一樣程度的移動減弱。再基于磁感應的強度進一步計算探測方向上不同介質(zhì)的電阻性情況，根據(jù)電阻性不同區(qū)域具體圈定富水區(qū)的空間位置及大小。

圖1 瞬變電磁法原理

3 探測方案及結(jié)果分析

3.1 探測方案

（1）探測裝置及參數(shù)

在15202運輸順槽掘進100 m后，采用瞬變電磁技術(shù)進行掘進工作面超前探測作業(yè)，探測儀器采用YCS200A礦用本安型瞬變電磁儀器裝備系統(tǒng)，探測裝置采用邊長為1.5m的發(fā)射和接收正方形重疊線圈，發(fā)射線圈的匝數(shù)為4匝，接收線圈的匝數(shù)為40匝，裝置送供電電流和脈寬分別為50A和10 ms，在測試作業(yè)時為確保測試的準確性，針對測點至少進行30次的疊加[5-6]。

（2）超前探測工作方法

在運用瞬變電磁探測技術(shù)進行巷道掘進頭前方煤巖體富水性的探測作業(yè)時，由于巷道掘進迎頭的空間有限，故測試作業(yè)時，需采用多匝小回線的發(fā)射裝置和接收裝置。該類裝置的邊長在2～3 m。巷道掘進迎頭的測點從巷道左幫開始布置，發(fā)射和接收天線的的法線垂直于巷道左側(cè)面，再將天線進行旋轉(zhuǎn)，分別與巷道成60°、45°和30°夾角進行探測；隨后再在主掘進迎頭的斷面上布置3個測點左右，巷道右側(cè)面的探測方式基本與左側(cè)面對稱。該種探測技術(shù)稱為扇形測深技術(shù)，通過該技術(shù)能夠形成4條超前探測的剖面（頂板30°、15°、0°、底板30°），具體工作方法見圖2。

圖2 瞬變電磁超前探測工作

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)瞬變電磁所得數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的歸一化處理，得出在不同時間區(qū)段的電阻率數(shù)值，進一步能夠轉(zhuǎn)化成為測量線的電阻率剖面圖，采用扇形成圖法得出不同探測剖面的視電阻率剖面，見圖3。

分析圖3（a）可知，在運輸巷掘進迎頭前方頂板30°斜上方的視電阻斷面扇形圖中，在測線正前方0～30m、左幫40～100m的范圍、角度在左幫的0°～30°的范圍內(nèi)存在著低阻異常區(qū)域；另外在測線正前方20～70m、右?guī)?0～80m、角度在右?guī)偷?0°～60°之間存在著低于異常區(qū)域。結(jié)合15202運輸順槽的地質(zhì)條件可知，導致該區(qū)域出現(xiàn)低阻異常的主要原因為頂板的灰?guī)r裂隙水。

分析圖3（b）可知，在運輸巷掘進迎頭前方頂板15°斜上方的視電阻斷面扇形圖中，在測線正前方0～30m、左幫40～90m的范圍、角度在左幫的0°～30°的范圍內(nèi)存在著較小區(qū)域的低阻異常現(xiàn)象；在測線正前方30～50m、左幫30～50m、角度在左幫的45°之間同樣存在著小范圍的低阻異常區(qū)域，該區(qū)域出現(xiàn)低阻異常的原因同樣最可能為頂板的灰?guī)r裂隙水。在測線的正前方20～50m、右?guī)?0～70m，角度在右?guī)偷?0°～60°范圍內(nèi)，存在著低阻異常區(qū)域。

分析圖3（c）可知，在運輸巷掘進迎頭前方的視電阻斷面扇形圖中，在測線正前方0～40m、左幫50～90m的范圍、角度在左幫的0°～45°的范圍內(nèi)存在著低阻異常區(qū)域；另外在測線正前方30～70m、右?guī)?～30m、角度在右?guī)偷?0°～90°之間存在著低阻異常區(qū)域，測線正前方10～40m、右?guī)?0～70m、角度在右?guī)偷?°～40°之間存在著低阻異常區(qū)域。

分析圖3（d）可知，在運輸巷掘進迎頭前方30°斜向下的視電阻斷面扇形圖中，在測線正前方0～40m、左幫30～80m的范圍、角度在左幫的0°～45°的范圍內(nèi)存在著低阻異常區(qū)域；另外在測線正前方30～60m、右?guī)?～30m、角度在右?guī)偷?0°～90°之間存在著低阻異常區(qū)域。

綜合上述分析可知，在15202運輸順槽掘進頭前方存在一定的富水可能性，且在掘進迎頭30 m位置處，視電阻率的低阻異常現(xiàn)象較為顯著，故該處存在著富水區(qū)域可能性極大。

3.3 防治水措施

根據(jù)瞬變電磁的探測結(jié)果，針對掘進頭前方30m的低阻異常區(qū)域，采用鉆孔探測進行驗證。根據(jù)驗證得到的結(jié)果可知，巷道掘進頭前方30 m區(qū)域確實存在著含水區(qū)域；根據(jù)探測鉆孔探測結(jié)可知，該區(qū)域的水壓為2MPa，陷落柱的發(fā)育高度為40m，驗證了瞬變電磁探測結(jié)果的正確性，并在巷道掘進通過陷落柱區(qū)域前，采用注漿封堵技術(shù)進行堵水，最終運輸順槽順利掘進通過該陷落柱富水區(qū)域。

4 結(jié)語

根據(jù)15202運輸順槽的地質(zhì)條件知巷道開口125m的位置處可能發(fā)育一個陷落柱，導通了頂板巖溶裂隙水，通過具體分析瞬變電磁探測技術(shù)的原理，在巷道掘進100 m后，采用瞬變電磁探測技術(shù)進行超前探測作業(yè)。根據(jù)探測結(jié)果可知，掘進工作面前方30 m表現(xiàn)為低阻異常，富水可能性較大，并通過探測鉆孔驗證的方式，驗證了探測結(jié)果，為巷道掘進通過該富水區(qū)域提供了保障。