瞬變電磁技術在金辛達煤業防治水工作中的應用

高剛剛

(山西煤炭運銷集團金辛達煤業有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

礦井瞬變電磁法是利用電磁感應定律，根據瞬變電磁對低阻體的感應敏捷特點。利用人工發射線圈加以脈沖電流，產生一個瞬變的電磁場，并在地下導電巖體中產生感應電流，從而實現礦井水文構造的探測。根據山西省各煤礦的防治水工作的嚴格要求，金幸達煤礦根據”物探先行、鉆探驗證、化探跟進”綜合探測驗證制度，選用瞬變電磁技術探測，使礦井鉆探工作有針對性和可靠性，為礦井解決了防治水工作難題。

1 瞬變電磁法物探

1.1 探測內容

對煤礦來說，瞬變電磁法探測主要用于：①施工掘進巷道前方富水性探測；②工作面煤層頂板水害探測；③工作面煤層底板水害探測；④工作面斷層、陷落柱、老空區等富水性探測；⑤廢棄不良鉆孔富水性檢測。

1.2 物探技術要求

圖1 瞬變電磁法探測方向示意圖

掘進工作面瞬變電磁法探測：設計礦井瞬變電磁法超前探測方向7個，如圖1所示，分別是6個橫向探測方向(與巷道頂板呈15°、30°、45°夾角向前方頂板探測、順層方向向前方探測、與巷道底板呈15°、30°、45°夾角向前方底板探測)和1個縱向探測方向。每個橫向探測方向布置橫向探測角度13個，如圖2(a)，分別是左側幫(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、右側幫(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，6個橫向探測方向共布置78個探測角度；縱向探測方向布置13個探測角度如圖2(b)，分別是頂板(90°、75°、60°、45°、30°、15°)、正前方(0°)、底板(-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°)，7個探測方向共計91個測點數據。探測時可根據礦井實際地質與水文地質情況及探測目的，對探測方向進行適當調整(增加或減少探測方向)。

a-橫向探測；b-縱向探測圖2 瞬變電磁法探測角度示意圖

回采工作面探測：礦井瞬變電磁法探測測線可布置在工作面軌道順槽、皮帶順槽內或其它巷道內，測點間距一般為5～20 m。探測巷道頂板和底板電阻率分布時，可以把線圈水平放置巷道內。若發射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測巷道側上方頂板或側下方底板一定范圍的電阻率分布，圖3為工作面瞬變電磁法探測布置示意圖，探測時可根據礦井實際地質與水文地質情況及探測目的，對探測方向進行適當調整(增加或減少探測方向)。

圖3 工作面物探測線方向示意

1.3 瞬變電磁探測法優缺點

優點：直接識別地下煤層含水情況特別直觀，探測方向性明確，操作簡單3人就可以操作，不需要復雜的理論推演，探測時間短，不受地形影響，一個掘進面探測工作開始到結束，用時35 min。

缺點：抗干擾能力弱、有探測盲區，探測距離短。

1.4 現場探測抗干擾措施

為了減少現場探測干擾，應注意：①瞬變電磁距離綜掘機等大型鐵器至少5 m以上；②線圈距離錨網至少1 m以上；③線圈距離刮板輸送機至少0.5 m以上；④切斷施工區域100 m范圍之內高壓線等強電力干擾源；⑤清理施工區域淤泥、積水、浮煤、浮矸等。

2 現場物探

2.1 設備選用

金辛達煤礦采用TEMHZ 75型瞬變電磁儀及其探測軟件進行井下數據采集分析。

2.2 現場探測環境(表1)

表1 現場探測環境描述

根據本次探測地點現場環境觀測，干擾源主要有：甲烷傳感器、掘進機、鐵質雜物及底板工程積水等，會干擾本次瞬變電磁采集的數據。

2.3 探測點布置

本次探測，采用扇形布置方法，從巷道左側開始，巷道縱向布置3個方向頂板20°方向、順層方向、底板20°方向，每個方向按12°間隔旋轉線圈，如圖4所示共布置11個測點。

a-平面圖；b-剖面圖圖4 平面探測測點布置

2.4 現場探測工作量統計

本次探測自2017年4月25日結束現場探測工作，現場工作共計1 d，現場探測工作量見表2。

表2 瞬變電磁現場探測工作量統計

3 數據處理及分析

3.1 瞬變電磁法處理技術

該流程為：新建工程—測線拆分組合—道參設置—晚期視電阻率計算—surfer軟件處理—Voxler三維處理—數據形態分布分析，按人機界面操作。

3.2 測點-電壓曲線圖及晚期電阻率設置

根據儀器性能參數及瞬變電磁探測行業經驗，綜合考慮，將視電阻率約束到80 Ωm，先按默認值成圖，再將成圖的視電阻率最大值與80 Ωm相比，再用默認值(10 000)除以該系數得到視電阻率系16 500；將深度約束到100 m，先按默認值(50)成圖，將成圖的最大測深與100 m相比，再用默認值(50)除以這個系數就得到深度系數59。

3.3 數據分析與解釋

瞬變電磁解釋原則：電阻率值從高到低排序為致密灰巖、煤層、砂巖、粘土巖類。根據該理論可分析出巷道前方低阻分布情況，結合已有的地質資料，預測含水地質體的位置及規模，以便礦方有針對性地設計探放水方案，保障煤礦的安全生產。

探測解釋：根據探測成果中的低阻異常區域的大小及電阻率值等級分布對掘進巷道安全影響由大到小，主要形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級分類，其中，Ⅰ級為富水性特強區域，一般定義為受老空水或溶洞影響，必須對異常區進行鉆探驗證，以探明異常區域是否積水及積水范圍；Ⅱ級為富水性較強區域，一般定義為煤層或砂巖含水層局部富水性強或者存在較強導水通道的區域，必須對異常區進行鉆探驗證；Ⅲ級為富水性較弱區域，一般定義為受砂巖含水層或導水斷層影響區域(也可定義為受采區巷道支護、電纜等其他影響)，可按照正常探放水設計進行鉆探驗證。

頂板20°方向探測成果：在此方向發現1處低阻異常區，異常區YC1位于探測位置正前方，距離迎頭70 m以遠。據資料分析可知，K4、K3、K2石灰巖為11#煤層直接充水含水層，厚度變化大，裂隙溶隙較發育，分析低阻異常區可能受灰巖含水層局部富水性較強或斷層裂隙相對富水影響。根據低阻異常評價等級分類，劃定為Ⅱ類異常區，如圖5所示。

圖5 頂板20°方向探測成果

順層方向探測成果：順層方向未發現低阻異常區，如圖6所示。

底板20°方向探測成果：底板20°方向未發現低阻異常區，如圖7所示。

圖6 順層方向探測成果

圖7 底板20°方向探測成果

3.4 鉆探驗證

物探發現頂板20°方向1處低阻異常區，異常區YC1位于探測位置正前方，距離迎頭70 m以遠。根據資料分析可知，K4、K3、K2石灰巖為11#煤層直接充水含水層。針對本異常區金辛達煤礦組織探水隊進行打鉆驗證，總共設計3個探眼進行驗證，鉆孔內均有水流出，水量1.3 m3/min。經化驗比對，為本礦K4、K3、K2石灰巖含水層的水。

4 結語

本次物探發現頂板20°方向1處低阻異常區，異常區YC1位于探測位置正前方，距離迎頭70 m以遠。確定了掘進巷道前方的水害隱患位置，結合鉆探驗證手段和水質化驗，充分顯示了瞬變電磁法探測快捷、方向明確、水體識別直觀等特點，為礦井防治水工作提供了可靠的地質資料。