綜合電法勘探在巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

曹立平

（晉能控股集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

虎龍溝煤礦21517 運(yùn)輸巷水文地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)鉆探方案導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率低下，需要快速高效的超前探測方法[1-5]來提升虎龍溝煤礦巷道掘進(jìn)效率。電法勘探是目前被廣泛應(yīng)用于巷道的超前探測方法，但單一電法勘探具有一定的缺陷。因此根據(jù)不同電法勘探的優(yōu)缺點(diǎn)，將不同電法勘探結(jié)合形成綜合電法勘探，是提高巷道超前探測效率和精度的有益探索。

1 工程背景

1.1 工程概況

21517 運(yùn)輸巷位于81517 工作面，東西部未開拓，南部與盤區(qū)運(yùn)輸大巷相接，北部鄰近塔山礦礦井邊界。巷道沿5#煤層底板掘進(jìn)，煤層平均傾角為3°，均厚11.98 m。巷道設(shè)計(jì)長度954 m，矩形巷道（5.2 m×3.5 m）。巷道頂板為8.48 m 的余煤，煤層堅(jiān)硬，普氏系數(shù)為4.5。直接頂為厚4.65～6.0 m的粉砂巖和煌斑巖，老頂為厚3.6～24.55 m 的粉砂巖和泥巖，直接底為厚1.95～3.25 m 的砂質(zhì)泥巖，老底為厚3.35～12.15 m 的細(xì)砂巖。煤層厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部煤層頂板受火成巖侵蝕為煌斑巖，部分煤層受擠壓疏松。據(jù)相鄰塔山礦井資料推測可能存在1 條落差約1.5 m 的正斷層，存在水患和漏頂風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 工程問題

由工程概況可知，掘進(jìn)巷道煤層頂板有煌斑巖侵入，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。根據(jù)“有掘必探，先探后掘”原則，為避免巷道掘進(jìn)過程中揭露含水構(gòu)造，需在巷道掘進(jìn)期間對(duì)迎頭區(qū)域進(jìn)行超前探測，保障巷道掘進(jìn)的安全性。2021 年4 月巷道開始掘進(jìn)，計(jì)劃掘進(jìn)日進(jìn)尺7 m，受傳統(tǒng)低效率鉆探技術(shù)影響，實(shí)際進(jìn)尺6 m/d，影響了巷道掘進(jìn)速度。因此，尋求一種快速且準(zhǔn)確的超前探測方法尤為重要。

2 綜合電法勘探的分析

目前常用的電法勘探手段為瞬變電磁法和直流電法，兩種電法的原理不同，導(dǎo)致其適用范圍不同。對(duì)兩種方法在巷道超前探測中應(yīng)用的基本原理和適用范圍進(jìn)行分析，探究如何將兩種電法勘探手段有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)在巷道掘進(jìn)超前探測中的優(yōu)化。

2.1 瞬變電磁法

（1）基本原理。布置于掘進(jìn)工作面的重疊回線裝置，可以向掘進(jìn)迎頭后方發(fā)射特定強(qiáng)度和方向的電磁波，瞬間關(guān)斷電流后，具有導(dǎo)電性能的煤巖體會(huì)在前方產(chǎn)生煙圈狀的不同強(qiáng)度的電磁場。由于發(fā)射線圈的距離和不同結(jié)構(gòu)煤巖體導(dǎo)電性能的差異，根據(jù)接收電磁波的延遲時(shí)間和電阻率值變化規(guī)律，可以判斷巷道掘進(jìn)迎頭前方的結(jié)構(gòu)變化。即根據(jù)探測結(jié)果中高電阻圍巖中的低阻地質(zhì)體（采空區(qū)、不規(guī)則水體和斷層等構(gòu)造），實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)的超前探測。瞬變電磁法原理如圖1。

圖1 瞬變電磁法超前探測示意圖

（2）適用范圍。由于瞬變電磁法是利用電流關(guān)斷的工作原理，距離掘進(jìn)工作面迎頭較近的早期電磁場，衰減速度快，趨膚深度較小。距離掘進(jìn)工作面迎頭較遠(yuǎn)的晚期電磁場，衰減速度慢，趨膚深度較大。早期電磁場所得的數(shù)據(jù)量較少，對(duì)于構(gòu)造區(qū)域的具體范圍探測不明。晚期電磁場衰減速度慢，探測所得數(shù)據(jù)量大，有效避免探測誤差。晚期電磁場的探測范圍一般距掘進(jìn)工作面30 m 以外，因此掘進(jìn)工作面30 m 以內(nèi)采用此方法超前探測，可信度較低，30 m 以外的遠(yuǎn)距離探測的精確度相對(duì)較高。

2.2 直流電法

（1）工作原理。直流電法的工作原理如圖2。在掘進(jìn)工作面的后方和掘進(jìn)迎頭處分別布置A、B接地電極，用以提供電流。在掘進(jìn)工作面的后方間隔一定距離分別布置M、N 接地電極，用以測量電流。由于煤巖體的導(dǎo)電性差異，可以通過分析電流場的差異，確定掘進(jìn)工作面迎頭前方的煤體特性（含水性）和地層構(gòu)造（斷層、裂隙區(qū)和陷落柱等）。

圖2 直流電法工作示意圖

（2）適用范圍。受煤巖體電流損耗的影響，距離掘進(jìn)迎頭較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)可信度較差，因此直流電法僅適用于掘進(jìn)工作面前方近距離（50 m 以內(nèi)）的探測。

2.3 綜合電法勘探

綜上分析可知，瞬變電磁法遠(yuǎn)距離探測精度較高，直流電法近距離探測精度較高。在巷道掘進(jìn)過程中，采用瞬變電磁法和直流電法共同探測，先采用瞬變電磁法對(duì)前方構(gòu)造進(jìn)行探測，記錄瞬變電磁法探測結(jié)果中的異常區(qū)域，隨著巷道掘進(jìn)至距異常區(qū)域50 m 處時(shí)，采用直流電法對(duì)瞬變電磁法探測發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的補(bǔ)充探測，利用直流電法近距離探測準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，確定異常區(qū)域的具體范圍，為放水作業(yè)提供準(zhǔn)確的資料，提高作業(yè)效率，避免探測誤差。綜合電法勘探結(jié)合了兩種電法勘探的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了單一電法超前探測的缺陷，使巷道掘進(jìn)超前探測的精度和范圍大幅度提升。

3 工程應(yīng)用

2021 年4 月—2021 年9 月，在21517 巷道掘進(jìn)期間，采用瞬變電磁法和直流電法結(jié)合的綜合電法進(jìn)行超前探測，探測巷迎頭前方100 m 的低阻體異常及分布范圍，分析迎頭前方的富水性。

3.1 綜合電法探測方案

（1）瞬變電磁法

探測采用YCS200（A）礦用瞬變電磁儀，發(fā)射及接收線圈為邊長1.5 m 的正方形線圈，發(fā)射線圈匝數(shù)4 匝，接收線圈匝數(shù)40 匝。供電電流檔為50 A，供電脈寬10 ms，采樣率16 μS。在進(jìn)行超前探測時(shí)，線框法線方向指向探測方向，線框法線與巷道延伸方向分別呈+45°（仰角）、0°（順層）、-30°（俯角）、-45°（俯角），對(duì)每個(gè)方向±90°探測。規(guī)定探測方向?yàn)榭v坐標(biāo)正方向，垂直于探測方向?yàn)闄M坐標(biāo)（左負(fù)右正）；該位置施工形成4 個(gè)探測橫剖面，間隔進(jìn)行11 次探測，共進(jìn)行44 次探測，探測前方是否存在視電阻率小于15 Ω·m 為相對(duì)低阻異常區(qū)。

（2）直流電法

探測采用YDZ16（A）礦用多道并行直流電法儀，于掘進(jìn)工作面后方順序布設(shè)供電電極B、測量電極N、測量電極M 及供電電極A。A、M 電極之間間隔15 m，N、M 電極之間間隔15 m，B 電極布設(shè)于掘進(jìn)工作面處，隨巷道掘進(jìn)向前移動(dòng)。

3.2 實(shí)例分析

21517 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至767 m 時(shí)，瞬變電磁法探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)其探測結(jié)果圖進(jìn)行分析，圖3為此時(shí)的（0～100 m）擬視電阻率等值線圖。

圖3 擬視電阻率等值線圖

由圖3 可知，仰角45°方向左前方40 m 處存在電阻率為140 Ω·m 的高電阻區(qū)，右前方60～80 m范圍內(nèi)存在0～15 Ω·m 低電阻異常區(qū)，其余區(qū)域巖層電阻率在120 Ω·m 左右；在俯角30°方向前方60 m 處存在電阻率為172 Ω·m 的高電阻區(qū)，其余區(qū)域巖層電阻率在105 Ω·m 左右，可推斷掘進(jìn)頭右前方60～80 m 的區(qū)域內(nèi)存在異常區(qū)域。

當(dāng)掘進(jìn)頭推進(jìn)至距異常區(qū)域30 m 時(shí)，通過直流電法對(duì)前方區(qū)域進(jìn)行探測，圖4 為此時(shí)（0～50 m）直流超前擬視電阻率等值線圖。

圖4 直流超前擬視電阻率等值線圖

由圖4 可知，迎頭正前方30 m 位置處存在一處視電阻率值為15 Ω·m 的低阻異常區(qū)，其余區(qū)域視電阻率值在105 Ω·m 左右，與瞬變電磁法超前探測發(fā)現(xiàn)異常的位置重合，進(jìn)一步驗(yàn)證了此位置區(qū)域可能存在異常。2021 年8 月，礦方通過鉆探驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域存在弱富水性的斷層含水構(gòu)造。隨后及時(shí)采取安全措施，消除了水害和頂板安全威脅，避免了安全事故的發(fā)生。21517 運(yùn)輸巷相鄰巷道采用單一鉆探探水掘進(jìn)方式的掘進(jìn)速度為6 m/d，采用綜合電法超前探測后，僅需在異常區(qū)域補(bǔ)充鉆探，掘進(jìn)速度增加到8 m/d，掘進(jìn)效率提升了33%。

4 結(jié)論

（1）在巷道掘進(jìn)超前探測中，瞬變電磁法近距離探測可靠性低，直流電法遠(yuǎn)距離探測可靠性低。

（2）將直流電法和瞬變電磁法結(jié)合探測可有效提升超前探測范圍和探測精度。

（3）21517 運(yùn)輸巷采用綜合電法探測后，水害威脅能提前探明，且掘進(jìn)效率提升了33%。