瞬變電磁法超前探測(cè)在煤礦防治水中的應(yīng)用

摘要：煤礦安全生產(chǎn)，關(guān)乎每名煤礦職工安全健康、家庭幸福以及社會(huì)和諧穩(wěn)定，做好煤礦生產(chǎn)中每項(xiàng)工作、每一道工序、每一個(gè)細(xì)節(jié)的安全是每一名煤礦工作者義不容辭的職責(zé)和使命。水害防治則是煤礦安全生產(chǎn)管理中重要工作之一，隨著采掘作業(yè)深度的不斷加大，地層中不明水體、導(dǎo)水裂隙以及老空水對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大危脅，如何準(zhǔn)確探測(cè)和檢定采掘作業(yè)范圍水害風(fēng)險(xiǎn)，成為礦井水害防治的重中之重。論文以瞬變電磁法超前探測(cè)法工作原理及應(yīng)用實(shí)例為基點(diǎn)，詳細(xì)闡述瞬變電磁法超前探測(cè)在礦井水害防治中取得的重要成果和意義。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法;探測(cè)原理;應(yīng)用實(shí)例

一、瞬變電磁法超前探測(cè)

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法，是一種新型高科技物探技術(shù)手段。超前探測(cè)是通過(guò)對(duì)地層電性分布規(guī)律及電阻率進(jìn)行超前探測(cè)和分析，判定探測(cè)范圍水體存在及分布情況的一種探測(cè)方法。該法快速，高效，方便，可以準(zhǔn)確反映出采掘作業(yè)周邊范圍地質(zhì)體的空間特征，為礦井防治水害提供了依據(jù)，更好的滿足礦井采掘超前預(yù)測(cè)，預(yù)報(bào)的要求。

二、瞬變電磁法超前探測(cè)原理及井下瞬變電磁法特點(diǎn)：

一）、瞬變電磁法探測(cè)原理：

在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流（見(jiàn)圖2-1），其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡（衰減）過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況（見(jiàn)圖2-2）。

瞬變電磁場(chǎng)在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過(guò)程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)由于傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。

二）、礦井瞬變電磁法具有以下特點(diǎn)：

1） 受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法只能采用邊長(zhǎng)小于3m的多匝回線裝置，這與地面瞬變電磁法相比數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高，成本低。

2） 采用小規(guī)?；鼐€裝置系統(tǒng)，因此為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量、降低體積效應(yīng)的影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率，在布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)一定要控制點(diǎn)距，在考慮工作強(qiáng)度的情況盡可能使測(cè)點(diǎn)密集。

3） 井下測(cè)量裝置距離異常體更近，大大的提高測(cè)量信號(hào)的信噪比，經(jīng)驗(yàn)表明，井下測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度比地面同樣裝置及參數(shù)設(shè)置的信號(hào)強(qiáng)10～100倍。

三、瞬變電磁法超前探測(cè)礦井水害防治應(yīng)用實(shí)例

萬(wàn)利一礦始建于1994年，地處神府東勝煤田北邊緣，核定生產(chǎn)能力1000萬(wàn)噸/年，井田區(qū)域地形較為復(fù)雜，整體為西北東南單斜構(gòu)造，無(wú)大型地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤層賦存至上而下共19層，其中可采煤層12層。

為確保礦井安全、有序、可持續(xù)生產(chǎn)，按照煤礦安全生產(chǎn)規(guī)章、規(guī)程及井下防治水管理有關(guān)要求，井下采掘作業(yè)必須進(jìn)行超前探測(cè)，消除化解水患風(fēng)險(xiǎn)，萬(wàn)利一礦自2020年引進(jìn)應(yīng)用瞬變電磁法超前探測(cè)，取得了良好效果，為礦井水害防治發(fā)揮了重要作用。下面就兩典型實(shí)例加以介紹：

一）、瞬變電磁法探放水物探驗(yàn)證

1、目的任務(wù)

根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)安排，萬(wàn)利一礦計(jì)劃2021年1月開(kāi)始回采42204工作面，該工作面上覆有原萬(wàn)利一礦一井22煤采空區(qū)，面積約16.2萬(wàn)㎡，區(qū)域內(nèi)積水約6.6萬(wàn)m3。前期經(jīng)鉆探疏放后，為準(zhǔn)確驗(yàn)證探放效果，確保工作面回采時(shí)不受水患影響和防止發(fā)生水災(zāi)事故。

2、瞬變電磁驗(yàn)證探測(cè)原理

YCS360A礦用瞬變電磁儀主要由主機(jī)和發(fā)射/接收線圈組成。主要是為了解決礦井中水害問(wèn)題，工作原理如下所示：主機(jī)通過(guò)引線與發(fā)射/接收線圈連接，實(shí)現(xiàn)交互。測(cè)量時(shí)，先通過(guò)對(duì)主機(jī)進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的設(shè)定，并布置好發(fā)射/接收線圈進(jìn)行工作，通過(guò)發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用接收線圈測(cè)量地下介質(zhì)引起的二次感應(yīng)渦流磁場(chǎng)，從而達(dá)到探測(cè)介質(zhì)的電阻率的目的，數(shù)據(jù)經(jīng)底層處理后上傳回主機(jī)。主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、即時(shí)存儲(chǔ)，然后通過(guò)USB連接線將主機(jī)連接到計(jì)算機(jī)上，將探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用配套成圖軟件做出進(jìn)一步處理與反演計(jì)算，從而根據(jù)成圖的有關(guān)參數(shù)具體分析得出探測(cè)結(jié)果，確定鉆探鉆孔布置方式。

3、方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

經(jīng)過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，在視電阻率圖上，若地層不受富水區(qū)或含導(dǎo)水構(gòu)造影響，煤系的電阻率等值線變化穩(wěn)定、有序，呈似層狀分布。圖1-1為探測(cè)位置垂直向上100m深度范圍內(nèi)電阻率成果切片兩次探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，圖中用藍(lán)色表示相對(duì)低的電阻率值，橙紅色表示相對(duì)高的電阻率值。經(jīng)分層對(duì)比分析，切片中部為31上回風(fēng)大巷正上方，42204工作面正上方為探測(cè)區(qū)域北部，基本無(wú)低電阻值區(qū)，南部電阻值增加亦較明顯，可證明疏放水工作已達(dá)到預(yù)期目的。

4、實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

現(xiàn)42204工作面已于2021年4月回采完畢，期間未出現(xiàn)異常涌水增加，

探放水達(dá)到預(yù)期效果和目標(biāo)，瞬變電磁法探放水物探驗(yàn)證的準(zhǔn)確性得到充分驗(yàn)證，也為礦井安全回采提供有力保障。

二）、瞬變電磁法掘進(jìn)作業(yè)超前探測(cè)

1、工程概況及探測(cè)任務(wù)

根據(jù)煤礦防治水相關(guān)要求，為了確保31310輔運(yùn)、主運(yùn)順槽安全掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)需對(duì)迎頭前方水文地質(zhì)條件及富水性情況進(jìn)行超前探測(cè)，為防治水和探放水方案制定提供技術(shù)依據(jù)。根據(jù)巷道現(xiàn)有條件，擬采用礦井瞬變電磁法在31310輔運(yùn)順槽進(jìn)行探測(cè)。

2、探測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)施

由于31310輔運(yùn)、主運(yùn)順槽兩巷間距為20米，采用雙巷并行掘

進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作于31310輔運(yùn)順槽掘進(jìn)迎頭作業(yè)面進(jìn)行。探測(cè)采用YCS360A礦用多通道瞬變電磁儀，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在31310輔運(yùn)順槽F8點(diǎn)前15m迎頭位置處布置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)施Mtem數(shù)據(jù)采集，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采集7個(gè)方向數(shù)據(jù)，分別為頂板45°方向、頂板30°方向、頂板15°方向、迎頭掘進(jìn)方向、底板15°方向、底板30°方向和底板45°方向，因此本次探測(cè)共采集4*7=28個(gè)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖3-1，表3-1為儀器采集參數(shù)。

3、瞬變電磁探測(cè)數(shù)據(jù)分析與解釋

瞬變電磁在礦井探水，探測(cè)構(gòu)造中的解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規(guī)律。煤層電阻率值相對(duì)較高，砂巖次之，粘土巖類(lèi)最低。由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對(duì)比較均一。當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，無(wú)論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，表現(xiàn)出巖石導(dǎo)電性的變化。當(dāng)存在構(gòu)造破碎帶時(shí)，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高;如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體，解釋為相對(duì)富水。同樣如果有采空區(qū)，若采空區(qū)不積水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高;如果采空區(qū)含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。

4、探測(cè)結(jié)論

根據(jù)本次礦井瞬變電磁法超前探測(cè)MTEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可確定橫向、水平深度和垂向深度電性變化情況，得出如附圖1萬(wàn)利一礦31310輔運(yùn)順槽瞬變電磁超前探測(cè)成果圖，解釋具體見(jiàn)附圖1所示。

5、圖中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（考慮到圖件的直觀展示，將橫坐標(biāo)按實(shí)際的10倍放大顯示），縱坐標(biāo)為沿探測(cè)方向距離，坐標(biāo)系以巷道左幫與迎頭交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)，指向巷道右?guī)蜑閄軸正方向，指向巷道正前方為Y軸正方向。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，本次探測(cè)共得出7個(gè)視電阻率橫向剖面。根據(jù)瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)和水文資料，可確定橫向、水平深度及垂向深度電性變化情況，綜合分析探測(cè)前方120m范圍內(nèi)視電阻率值整體較高，均大于10，富水性較弱。

6、生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證

現(xiàn)31310輔運(yùn)順槽已掘進(jìn)1000余米，先后采用瞬變電磁超前探測(cè)3次，探測(cè)結(jié)果相近，均為弱富水性，在實(shí)際施工作業(yè)中涌水正常，與驗(yàn)證結(jié)果相吻合，為安全掘進(jìn)和水害防治提供有力技術(shù)保障。

瞬變電磁超前探測(cè)經(jīng)萬(wàn)利一礦多次應(yīng)用驗(yàn)證，其探測(cè)成果準(zhǔn)確可靠，操作方便快捷，可為礦井水害探測(cè)防治提供重要理論和技術(shù)保障，在煤礦安全生產(chǎn)中值得推廣和應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：王永志（1976.3-）：男，內(nèi)蒙古托克托縣人，漢族，畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)，本科學(xué)歷，工程師，從事礦井瓦斯抽放、探水技術(shù)管理工作多年。