瞬變電磁法在煤礦掘進(jìn)工作面水害探測中的應(yīng)用

范育典

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100000）

神東煤田位于山西、陜西、內(nèi)蒙古三省區(qū)交界處，煤田總面積達(dá)到3.12 萬km，神東煤田基地也是我國13 個特大型煤炭能源基地之一。本文選擇神東煤田山西組的8#煤層作為研究對象。煤田關(guān)鍵含水層為奧陶系地層，富水性差異較大，表明灰?guī)r含水層裂隙巖溶發(fā)育極不均衡，該區(qū)域以奧灰含水層居多。

1 瞬變電磁法超前探測數(shù)值模擬

1.1 地電模型設(shè)計(jì)

下面從神東煤田的水文地質(zhì)條件出發(fā)，結(jié)合三面電阻率曲線，確定各層的電阻率，并進(jìn)行地質(zhì)分層，為以后的正演仿真工作奠定基礎(chǔ)。本研究對8#煤層地質(zhì)特征進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化，基本確定6 層地質(zhì)模型。正演仿真時選用長方形，以便更接近巷道腔體，橫截面尺寸設(shè)計(jì)為4 m×4 m。正演仿真模型地層參數(shù)如表1 所示。

表1 正演仿真模型地層參數(shù)

1.2 三維數(shù)值模擬

1.2.1 巷道腔體的數(shù)值模擬

煤礦電磁探測的關(guān)鍵是明確巷道影響和空間場效應(yīng)。與“純”全空間瞬變電磁場相比，煤礦瞬變電磁場的分布范圍與全空間場效應(yīng)、巷道內(nèi)非導(dǎo)電氣體的綜合作用有極大差異。因此，對巷道的影響開展具體分析，可以為數(shù)據(jù)資料的處理與詮釋提供依據(jù)。巷道腔體的設(shè)計(jì)尺寸與橫截面相同，圍巖的設(shè)計(jì)電阻值有3 個，依次為1 Ω·m、10 Ω·m 和100 Ω·m，據(jù)此可求出模型中心處的垂直感應(yīng)電壓。通過比較均勻全空間模型的衰減曲線得出，巷道腔體的尺寸對瞬變電磁探測的影響較小，后期瞬變電磁探測的衰減曲線基本相同，前期僅有少許差異，表明瞬變電磁探測存在早期缺陷，純巷道腔體的響應(yīng)極其薄弱。對比以上三種不同圍巖電阻對衰減反應(yīng)的影響，并將三者的關(guān)系繪制于同一平面，如圖1 所示。

圖1 不同圍巖電阻的中心點(diǎn)衰減曲線

一是瞬變電磁場響應(yīng)曲線出現(xiàn)衰減特性時，一般以無巷道、巷道全空間為基礎(chǔ)。同時，瞬變電磁感應(yīng)電動勢的變化與巷道空間關(guān)系密切，但其對總體衰減規(guī)律無顯著影響。二是衰減響應(yīng)隨著電阻率的減小而增加。電阻率的減小會致使巷道對瞬變電磁場的影響加大。巷道影響的變化與取樣時間相關(guān)，取樣時間越長，巷道影響越小，直至完全不受影響。

1.2.2 掘進(jìn)機(jī)影響的數(shù)值模擬

巷道斷面尺寸設(shè)置為4 m×4 m，此處電阻率設(shè)置為1 000 Ω·m。掘進(jìn)機(jī)配備回線源激發(fā)裝置，而后計(jì)算掘進(jìn)機(jī)刀頭與掘進(jìn)工作面間距的響應(yīng)值。如圖2 所示，鑒于掘進(jìn)工作面距離的增加，掘進(jìn)機(jī)對工作面的影響慢慢變?nèi)?。一是掘進(jìn)機(jī)距離掘進(jìn)工作面僅有5 m 時，其在純巷道腔體的響應(yīng)幅度提升了3 個量級，這與衰減曲線上的低阻異常相關(guān)。二是掘進(jìn)機(jī)距離掘進(jìn)工作面10 m 時，響應(yīng)速率驟降，集中的時間段為4 ms 之后，相比純巷道腔體模型，其提升了1個量級。三是當(dāng)距離增大至20 m 時，工作面的瞬變電磁場探測反應(yīng)微弱，與30 m 時基本一致。通過對數(shù)值仿真的分析可知，掘進(jìn)機(jī)距離掘進(jìn)工作面20 m以上時，其對瞬變電磁探測的影響不大。

圖2 掘進(jìn)機(jī)與掘進(jìn)工作面間的瞬變電磁反應(yīng)

2 瞬變電磁法實(shí)際探測分析

2.1 富水區(qū)探測驗(yàn)證

對掘進(jìn)工作面前方富水區(qū)進(jìn)行探測驗(yàn)證，預(yù)報(bào)表明，掘進(jìn)工作面前方20 ～39 m 處為低阻區(qū)且集中于巷道前方靠右方位。因此，在實(shí)際鉆探驗(yàn)證時，巷道正前方、正前偏左方、正前偏右方的位置布置鉆孔。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正前方的位置鉆探至35 m 距離時有出水現(xiàn)象，相比其他方位，正前偏右方的位置鉆孔水量很大。這一結(jié)論與“掘進(jìn)機(jī)距離掘進(jìn)工作面20 m 以上時，其對瞬變電磁探測的影響不大”相符。

2.2 漏水區(qū)探測驗(yàn)證

對掘進(jìn)工作面前方漏水區(qū)進(jìn)行探測驗(yàn)證，預(yù)報(bào)表明，掘進(jìn)工作面正前方30 ～40 m 處為低阻區(qū)且只存在于偏左方位。根據(jù)該礦區(qū)早期地質(zhì)勘查平面圖推測，該位置為一個漏標(biāo)的鉆孔，故判斷該位置產(chǎn)生的低阻區(qū)可能為鉆孔導(dǎo)致的漏水區(qū)。經(jīng)實(shí)地鉆探驗(yàn)證，該推測結(jié)論無誤。

2.3 斷層區(qū)探測驗(yàn)證

對掘進(jìn)工作面前方斷層區(qū)進(jìn)行探測驗(yàn)證，預(yù)報(bào)表明，掘進(jìn)工作面正前方28 ～49 m 處為低阻區(qū)。實(shí)際驗(yàn)證中，在巷道向前掘進(jìn)18 m 的位置完成打鉆。結(jié)果表明，在鉆探至40 m 距離時有出水現(xiàn)象，水量為70 m/h，故該位置確認(rèn)為斷層區(qū)。

2.4 巖性探測驗(yàn)證

對掘進(jìn)工作面前方巖性進(jìn)行探測驗(yàn)證，預(yù)報(bào)表明，掘進(jìn)工作面前方75 m 距離內(nèi)的巖性均正常且不見低阻富水區(qū)，建議掘進(jìn)。經(jīng)現(xiàn)場鉆探驗(yàn)證，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，可安全掘進(jìn)。

3 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有科研成果，通過數(shù)值模擬、實(shí)際鉆探驗(yàn)證瞬變電磁法在預(yù)報(bào)煤礦掘進(jìn)工作面富水區(qū)、漏水區(qū)、斷層區(qū)和巖性方面的準(zhǔn)確性，為煤礦水害預(yù)測提供可靠數(shù)據(jù)資料。分析發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁發(fā)射器與接收端距離在20 m 以上時，其對響應(yīng)信號幾乎沒有影響，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際鉆探驗(yàn)證情況相符。