兩種煤礦井下地質探測技術的對比分析

沈福斌，王施智，周子鵬，古 瑤，耿 清

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

目前礦井水害探測技術采用最多、最常規、最成熟的方法為礦井瞬變電磁法和井下三極直流電法，兩種勘探方法防治水效果均較明顯，然而由于不同礦井地質條件、施工環境存在差異，其防治效果也存在明顯的差異，因此根據礦井的實際情況及兩種方法本身的特點，選擇合適的工作方法至關重要。

1 工作原理及裝置

1.1 瞬變電磁法

礦井瞬變電磁勘探屬于全空間效應的勘探方法，采用重疊回線裝置。它利用不接地回線在井下巷道內設置通有一定電流的發射線圈，并在其周圍空間產生穩定的一次電磁場。當電流突然斷開時，由該電流產生的磁場也立即消失，為維持電流斷開之前存在的磁場，巖層中被激發出感應電流。發射電流斷開的瞬間，最初激發的感應電流集中于巷道附近巖層中，隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流逐漸向外擴散，其強度逐漸減弱。在斷開發射電流的任一時刻，感應電流在巷道內產生的磁場，可以等效為一個水平環狀的電流磁場，這些等效電流環像從發射回線“吹”出來的一系列煙圈，因此將巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖1所示。

圖1 “煙圈效應”示意圖

1.2 直流電法

井下直流電法屬全空間電法勘探，采用三極裝置，其工作原理如圖2所示。它以巖石的電性差異為基礎，在全空間條件下建場，使用全空間電場理論，處理和解釋有關礦井水文地質問題。測深法是研究深度方向地層電性變化規律，從而獲得深度方向地層各種地質信息的一種物探方法。它是在同一點逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸變大，于是可以觀測到測點處沿深度方向由淺到深地層的變化特征。

圖2 三極測深工作原理示意圖

2 探測數據采集

2.1 瞬變電磁法

采用不接地回線進行發射，2 m×2 m正方形回線，發射回線40匝，接收回線60匝，疊加次數為64次，發射電流4 A，盲區約20 m。工作面頂板探測時，按照與巷道頂板方向不同夾角進行探測，以改變線框水平夾角實現對巷道頂板砂巖水的探測，線框與頂板平行(即探測方向與頂板夾角呈90°)和線框與頂板夾角呈45°(即探測方向與頂板夾角呈45°)(如圖3(A)、(B)所示)，點距一般為10 m最合適；

圖3 頂板探測(左)及超前探測(右)示意圖

巷道進行超前探測時，按照與迎頭正前方不同夾角進行扇面掃描(圖3(右))，布置15個掃描方位，左幫5個(左90°～左30°)，迎頭正前方5個(左15°～右15°)，右幫5個(右30°～右90°)，形成對迎頭左前方、正前方、右前方的探測。

2.2 直流電法

圖4 頂板探測(左)及超前探測(右)示意圖

進行頂板砂巖水探測時，需提前在巷道頂板打電極孔，并塞入炮泥，其探測方向只有一個，即垂直頂板向上探測(圖4(上))，供電極距OA采用算術極距，極間距為10 m，最小OA選為25 m，最大發射電流100 mA。接收極距MN/2采用固定形式，為5 m和15 m，兩接口處取視電阻率平均值；進行超前探測時，采用三點交匯法(圖4(下))，即距迎頭14 m處開始布設3個發射及接收電極，發射及接收距均為4 m，一次性布極，最大發射電流100 mA，無盲區。

3 綜合應用案例

3.1 頂板水探測

瞬變電磁勘探解釋成果：圖5各含水層中，在路家小靈臺背斜附近，異常零星分布，規模較小；距切眼1 100～1 400 m附近、在距切眼750～1 000 m(F20、F21斷層)附近及距切眼400～650 m(F23、F24斷層)附近，各層位均存在不同規模的富水異常區。其中距切眼750～1 000 m及400～650 m附近，異常規模較大。

直流電法勘探解釋成果：圖6各含水層中，在路家小靈臺背斜附近、距切眼1 100～1 400 m附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，各層位均存在不同規模的富水異常區。其中在路家小靈臺背斜附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，異常明顯，且規模較大，距切眼1 100～14 00 m附近，異常規模較小。

圖5 瞬變電磁解釋成果圖

圖6 直流電法解釋成果圖

與水文地質資料的對比：根據現場調查資料，在路家小靈臺背斜附近，頂板存在少量的滲水現象，在帶式輸送機巷內距切眼1 200 m附近，頂板存在淋水現象，在F20、F21斷層附近兩巷道頂板淋水較大，且在帶式輸送機巷內頂板存在冒頂現象，在F23、F24斷層附近巷道頂板淋水現象，且在帶式輸送機巷內頂板存在冒頂現象。由此可見，瞬變電磁勘探解釋成果與已知水文地質資料相符，而直流電法勘探解釋成果與已知水文地質資料存在一定偏差。

3.2 掘進前方采空區探測

瞬變電磁解釋成果：圖7可以看出，順層方向共圈定5塊高阻異常區，分別編號為異常區1、異常區2、……異常區5。異常區1位于回風探巷掘進迎頭正前方左側30°至右側60°順層方向18～20 m處，近似帶狀，解釋為老窯巷道的電性反映，與掘進揭露已知巷道位置吻合；異常區2位于回風探巷右側45°方向45 m處，為橢圓狀，為小煤窯老空區的電性反映，與打鉆揭露的采空區位置對應；異常區3位于回風探巷左側75°～90°方向70～100 m處，解釋疑似采空區；異常區4位于回風探巷右側60°～75°之間50～80 m處，該異常為疑似采空區；異常區5位于巷道右側15°方向，呈橢圓狀，受鉆孔空洞引起的高阻。從瞬變電磁超前探底板45°和頂板45°視電阻率等值線扇面圖中高阻異常為順層方向采空區體積效應的影響。圖中低阻區為錨網和探測鉆孔鋼管影響所致。

直流電法超前探測解釋成果：從圖8可以看出，直流電法在橫向上視電阻率呈高低阻交替變化，在掘進迎頭處視電阻率較高，在實際勘探過程中，迎頭處較為干燥，兩者相符；在18～21 m處視電阻率值較高，這與已知打鉆發現的老巷位置對應較好；在31～33 m、42～46 m、55～57 m和80～86 m處視電阻率都比較高，根據直流電法超前探測原理，直流電法超前探測的是球狀體，故根據斷面圖可以看出異常的位置，但無法準備定位異常的延展方向，結合瞬變資料，推斷這2處高阻異常應為巷道東南方向的采空區反映。

a-頂板45°；b-順層；c-底板45°圖7 瞬變電磁超前探測解釋成果圖

圖8 直流電法超前探測解釋成果圖

4 結論

(1)瞬變電磁法采用不接地回線向巖層中供電，供電電流為4 A左右；而直流電法采用接地金屬電極向巖層中供電，最大供電電流小于100 mA。

(2)進行頂板砂巖水及掘進前方探測時，與直流電法相比，瞬變電磁可通過改變線框與巷道頂板的角度，進行多方位探測，達到了提高解釋精度的目的。

(3)在進行工作面頂板水探測時，礦井瞬變電磁探測效果與已知水文地質資料基本吻合；在進行掘進前方采空區探測時，兩種勘探方法均取得了較好的地質效果。但是瞬變電磁法可兼顧掘進前方、左側及右側半圓形區域內的地質情況。