瞬變電磁法對(duì)掘進(jìn)巷道前方充水老空區(qū)探測(cè)的應(yīng)用性研究

馮 輝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

礦井瞬變電磁法是一種非接觸式的針對(duì)含水層、采空區(qū)等富水性探測(cè)的物探方法，可利用多裝置和多方向的形式來(lái)滿足探測(cè)要求，能夠?qū)w進(jìn)行目的性的探測(cè)，是目前煤礦井下防治水工作中常用的物探方法。礦井瞬變電磁法具有施工效率高、投入及安全成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)煤礦巷道空間狹小、存在大量鐵器等影響因素的施工條件。新村煤業(yè)15109回風(fēng)順槽掘進(jìn)前方存在有原飛馬煤礦采空區(qū)，該采空區(qū)位于向斜槽部，地勢(shì)較低，原飛馬煤礦關(guān)閉后匯集了大量積水，但礦方缺少采空區(qū)的范圍和積水情況等資料，這對(duì)15109回風(fēng)順槽的掘進(jìn)工作造成很大的安全隱患。如何有效利用礦井瞬變電磁法來(lái)探查工作面掘進(jìn)前方老空區(qū)的積水情況。本文結(jié)合新村煤業(yè)15109回風(fēng)順槽的井下瞬變電磁探測(cè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

1 工程概況

山西新村煤業(yè)有限公司地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°14′06″～113°16′52″，北緯36°52′40 ″～36°54′51″。井田位于武鄉(xiāng)縣東部，距武鄉(xiāng)縣約50 km，距長(zhǎng)治市約105 km。該礦15109回風(fēng)順槽北起礦井西膠帶大巷，南接15109工作面開(kāi)切眼，鄰礦井井田南界，東為15109備采工作面，西為井田小窯破壞區(qū)。本巷道掘進(jìn)煤層為15#煤，位于石炭系太原組一段中部地層，煤層厚平均5.2m，傾角2°～15°。本次探測(cè)位置位于距15109回風(fēng)順槽開(kāi)口605.6 m處（見(jiàn)圖1）。

2 礦井瞬變電磁法基本原理

依據(jù)時(shí)間域全空間瞬變電磁場(chǎng)的基本原理，通過(guò)發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場(chǎng)，這種迅速衰減的電場(chǎng)在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的渦流場(chǎng)（二次場(chǎng)），通過(guò)接收線圈測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征，反映了感應(yīng)場(chǎng)所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律，通過(guò)礦井瞬變探測(cè)技術(shù)的信號(hào)處理、干擾校正、算法反演、時(shí)深轉(zhuǎn)換及成圖處理，進(jìn)而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。利用煤礦各種地質(zhì)現(xiàn)象的不同電阻率反映，實(shí)現(xiàn)對(duì)迎頭以及巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等前方的富水區(qū)域進(jìn)行較精確解析。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)位置及區(qū)域示意圖

3 瞬變電磁法探測(cè)方案

3.1 設(shè)備選型及數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)

本次探測(cè)采用YCS40（A）礦用瞬變電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。YCS40（A）礦用瞬變電磁儀是一種便攜式寬時(shí)窗范圍智能化的儀器，該儀器接收和發(fā)射一體化，體積小，重量輕，特別適合于井下超前探測(cè)和復(fù)雜地區(qū)情況下的水文地質(zhì)勘探，且效率高，抗干擾能力強(qiáng)。

根據(jù)瞬變電磁法基本原理，YCS40（A）礦用瞬變電磁儀的數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，電磁場(chǎng)等效電流環(huán)將沿傾斜錐面地下擴(kuò)散（圖2a），因此，一次電磁場(chǎng)向遠(yuǎn)處傳播范圍為一個(gè)錐體，其中箭頭所指方向?yàn)樘綔y(cè)方向，虛線部分為探測(cè)范圍（圖2b）。在巷道內(nèi)布置探測(cè)方向角度主要是依據(jù)探測(cè)距離和煤層傾角來(lái)確定線框的布置，同時(shí)根據(jù)儀器的探測(cè)深度范圍來(lái)確定測(cè)點(diǎn)相隔距離，在保證探測(cè)精度的同時(shí)盡量減少工作量，提高工作效率。

3.2 探測(cè)方案確定

根據(jù)儀器數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)原理、工作面水文地質(zhì)情況及井下現(xiàn)場(chǎng)條件，本次探測(cè)發(fā)射和接收線框采用多匝2×2m矩形回線，發(fā)射頻率為8.3 Hz，發(fā)射電流為1.9～2.2 A。在迎頭橫向剖面上布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次從右?guī)偷阶髱?，測(cè)線橫向角度為60°、75°、90°、105°、120°，在縱向剖面上分別對(duì)頂板15°和順層方向兩個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)方向及角度見(jiàn)圖3與圖4。

圖2 探測(cè)錐體示意圖

圖3 測(cè)點(diǎn)布置橫向剖面示意圖

圖4 測(cè)點(diǎn)布置縱向剖面示意圖

4 探測(cè)成果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。由于施工期間現(xiàn)場(chǎng)綜掘機(jī)距迎頭8 m，迎頭附近底板積水較多，對(duì)探測(cè)存在較大的干擾。為保證原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)出現(xiàn)畸變的數(shù)據(jù)采取重復(fù)采樣和提高疊加次數(shù)等方法進(jìn)行處理。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括數(shù)據(jù)的拆分與組合、奇異點(diǎn)（道）數(shù)據(jù)剔除、道參修改及數(shù)據(jù)平滑處理等。

（3）數(shù)據(jù)核心處理。主要計(jì)算全程視電阻率。包括屏蔽校正、時(shí)間與深度的轉(zhuǎn)換及盲區(qū)校正等。

4.2 探測(cè)成果資料分析

數(shù)據(jù)處理后，得到15109回風(fēng)順槽超前探測(cè)視電阻率等值線擬斷面圖，如圖5與圖6所示。本次探測(cè)的感應(yīng)盲區(qū)為20 m。圖中，坐標(biāo)軸0點(diǎn)位置為本次物探迎頭位置，縱坐標(biāo)表示迎頭前方探測(cè)深度，橫坐標(biāo)軸負(fù)坐標(biāo)方向表示巷道左幫探測(cè)深度，橫坐標(biāo)軸正坐標(biāo)方向表示巷道右?guī)吞綔y(cè)深度。數(shù)值越小，表示該區(qū)域含水性越強(qiáng)。

圖5 頂板15°方向視電阻率等值線圖

從圖5頂板15°方向等值線圖看出，在有效探測(cè)深度100 m范圍內(nèi)，存在一處低阻異常，圖中標(biāo)為低阻異常區(qū)1，本異常區(qū)位于巷道掘進(jìn)方向左側(cè)63°～95°，距離迎頭斜向距離71.6 m以遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。根據(jù)礦方的水文地質(zhì)資料分析，低阻異常區(qū)1推測(cè)可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

圖6 順層0°方向視電阻率等值線圖

從圖6順層方向等值線圖看出，在有效探測(cè)深度100 m范圍內(nèi)，存在一處低阻異常，圖中標(biāo)為低阻異常區(qū)2，本異常區(qū)位于巷道掘進(jìn)方向左側(cè)66°～87°，距離迎頭斜向距離80.5 m以遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。根據(jù)礦方的水文地質(zhì)資料分析，低阻異常區(qū)2推測(cè)可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

5 探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證情況

礦方探放水隊(duì)在距開(kāi)口635.5 m處（物探施工位置29.9 m后）鉆探和實(shí)際掘進(jìn)揭露證實(shí)（鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1）：其中2#鉆孔掘進(jìn)方向右22°、+3°，打鉆60 m透空出水，約40m3/d，累計(jì)放水2556 m3。本次物探準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了采空區(qū)積水位置及影響范圍。

表1 鉆孔參數(shù)表

6 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)15109回風(fēng)順槽前方老空區(qū)瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果及礦方實(shí)際鉆探驗(yàn)證資料綜合對(duì)比分析，礦井瞬變電磁法較為準(zhǔn)確地確定了15109回風(fēng)順槽掘進(jìn)前方充水老空區(qū)的位置及空間展布情況，表明采用礦井瞬變電磁探測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確有效地探測(cè)掘進(jìn)巷道前方充水老空區(qū)情況，為礦井探放水工作提供必要的技術(shù)支撐，同時(shí)提高了探放水工作質(zhì)量和效率。

（2）本次探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存在一定的干擾源，對(duì)數(shù)據(jù)的采集造成一定的影響。在今后的井下物探工作中，應(yīng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水細(xì)則》第三十六條的規(guī)定執(zhí)行，要求距探測(cè)點(diǎn)20 m范圍內(nèi)不得存放掘進(jìn)機(jī)、鐵軌、皮帶機(jī)架等大型金屬物體，且迎頭附近不得有積水，巷道內(nèi)動(dòng)力電纜、大型機(jī)電設(shè)備必須停電。只有保證了原始數(shù)據(jù)的可靠性，才能確保最終探測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

（3）建議礦方按照“物探先行、鉆探驗(yàn)證”的綜合探測(cè)原則，根據(jù)物探結(jié)果，調(diào)整探放水設(shè)計(jì)，在掘進(jìn)過(guò)程要針對(duì)迎頭前方的異常區(qū)域進(jìn)行專項(xiàng)鉆探驗(yàn)證，并形成驗(yàn)證報(bào)告，從而完善探測(cè)區(qū)域內(nèi)的物探資料，為本礦其他工作面的物探解釋提供參考依據(jù)。