基于瞬變電磁法的井下全面防水探測(cè)技術(shù)的研究

李海濤

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100）

隨著煤礦綜采作業(yè)深度地不斷增加，在開采過(guò)程中出現(xiàn)透水事故的概率迅速加大，因此在掘進(jìn)的過(guò)程中需要對(duì)掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行全面的富水性探測(cè)，對(duì)富水區(qū)域進(jìn)行放水，保證在掘進(jìn)過(guò)程中的安全性。但目前的物探方案在實(shí)際使用過(guò)程中存在著探測(cè)效率低、成本高的不足，極大的限制了井下巷道掘進(jìn)效率地提升，因此應(yīng)采用新的快速探測(cè)技術(shù)，提高對(duì)井下探測(cè)效率。

1 瞬變電磁探測(cè)原理

瞬變電磁法是通過(guò)一組形成閉環(huán)的多匝線圈作為探測(cè)體，利用裝置使探測(cè)體定向發(fā)出一次脈沖磁場(chǎng)。當(dāng)脈沖磁場(chǎng)在巖層內(nèi)穿過(guò)時(shí)在楞次定律的作用下產(chǎn)生了二次磁場(chǎng)感應(yīng)電流，探測(cè)體又會(huì)反向接收二次磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息，如圖1 所示，通過(guò)對(duì)所接收到的磁場(chǎng)信息的分析即可推斷出不同區(qū)域內(nèi)的電性變化情況，再結(jié)合不同地質(zhì)特性下對(duì)電性變化的影響，即可判斷出不同區(qū)域內(nèi)的含水情況[1]。

圖1 瞬變電磁法探測(cè)等效云圖

瞬變電磁法屬于一種非接觸式的物探方案，施工便捷、靈活性高，但由于采用的是電磁探測(cè)的原理，因此對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的金屬分布敏感性極大，在進(jìn)行探測(cè)前需要對(duì)區(qū)域進(jìn)行清理，避免留存有金屬，影響探測(cè)的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行探測(cè)時(shí)還需要確保各探測(cè)點(diǎn)探測(cè)體回線裝置和錨桿、錨網(wǎng)的距離不小于500 mm，保證探測(cè)體周圍不存在剛性體的干擾，最大限度的提升井下探測(cè)的準(zhǔn)確性[2]。

2 瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)施工方案

煤礦井下主采面分布有6 條斷層帶，井下煤層平均厚度為4.7 m，煤層頂板主要是砂巖，煤層底板為泥巖，煤層平均傾角為11.8°，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。通過(guò)前期地質(zhì)勘探，該區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)，因此需要對(duì)井下積水情況進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，為巷道掘進(jìn)和支護(hù)提供理論依據(jù)。

根據(jù)井下實(shí)際情況，將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在材料巷、運(yùn)輸巷內(nèi)，在井下設(shè)置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為6 m，其探測(cè)的方向?yàn)檠刂ぷ髅娴木C采方向頂板斜向上30°、垂直煤層頂板方向、煤層底板斜向下45°，綜采面沿著底板向下60°和綜采面底板垂直方向，主要是對(duì)綜采面順層、綜采面頂板及底板位置的含水特性進(jìn)行研究。每個(gè)位置設(shè)置7 個(gè)探測(cè)方向，保證探測(cè)的全面性，井下瞬變電磁探測(cè)點(diǎn)探測(cè)方向如圖2 所示[3]。

圖2 井下巷道探測(cè)點(diǎn)探測(cè)方向示意圖

3 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果分析

瞬變電磁探測(cè)儀接收到探測(cè)信息后，需要對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)不同區(qū)域探測(cè)成果的劃分，確定各個(gè)電阻區(qū)域的地質(zhì)條件特性，其對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程可總結(jié)為以下幾個(gè)步驟：

1）計(jì)算出探測(cè)完成的7 個(gè)方向上的電阻率等值線擬斷面圖[4]；

2）對(duì)各個(gè)探測(cè)方向上的測(cè)線進(jìn)行測(cè)點(diǎn)、探測(cè)方向、探測(cè)深度空間位置坐標(biāo)的編組，完成瞬變電磁探測(cè)的聯(lián)合反演，進(jìn)而獲取探測(cè)區(qū)域內(nèi)的三維空間電阻率分布特征圖[5]，結(jié)果如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 井下三維空間電阻率分布特征圖

3）根據(jù)井下的實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)綜采面、綜采面頂板、綜采面底板的電阻率分布及電阻率等值線擬斷面圖進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

4）根據(jù)數(shù)據(jù)解析結(jié)果，確定井下綜采面探測(cè)區(qū)域內(nèi)可劃分為1 級(jí)、2 級(jí)和3 級(jí)含水異常區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的電阻率分別為小于20 Ω·m，小于40 Ω·m，小于60 Ω·m。

5）根據(jù)劃分的含水異常區(qū)域，對(duì)各個(gè)區(qū)域的位置、大小進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，便于工作人員快速獲取直觀的探測(cè)結(jié)果，為井下的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，瞬變電磁探測(cè)結(jié)果分布如圖4 所示。

圖4 井下含水區(qū)域探測(cè)結(jié)果分布示意圖

由實(shí)際探測(cè)結(jié)果分布可知，在頂板上10 m 的區(qū)域內(nèi)，分布著1～5 號(hào)3 級(jí)含水區(qū)域，由于其電阻率較大因此該區(qū)域含水分布相對(duì)較小，為弱富水區(qū)域。在順層位置分布在6～10 號(hào)2 級(jí)含水區(qū)域，其探測(cè)電阻率中等，因此含水分布相對(duì)較多，為中富水區(qū)域。在底板下40 m 的區(qū)域內(nèi)，分布著11～17 號(hào)共7 組3 級(jí)含水區(qū)域，電阻率較小，表明其含水豐富，為強(qiáng)富水區(qū)域。在井下巷道作業(yè)過(guò)程中需要進(jìn)行重點(diǎn)疏水，確保井下作業(yè)的可靠性和安全性。

4 井下物探復(fù)測(cè)

為了對(duì)瞬變電磁法的實(shí)時(shí)探測(cè)效果進(jìn)行驗(yàn)證，利用定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行鉆孔探水[6]，根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果，在17 個(gè)含水區(qū)域內(nèi)，只有15 號(hào)區(qū)域?yàn)槿醺凰畢^(qū)域，和瞬變電磁探測(cè)結(jié)果存在差異，其他16 個(gè)區(qū)域的鉆孔探測(cè)效果和瞬變電磁法探測(cè)效果一致。對(duì)非含水區(qū)域進(jìn)行15 次探測(cè)對(duì)比，探測(cè)結(jié)果和瞬變電磁法的探測(cè)結(jié)果一致，表明了瞬變電磁法的探測(cè)有效性達(dá)到了96.9%。而且由于瞬變電磁法的探測(cè)便捷性，能夠?qū)⒎浪綔y(cè)時(shí)間縮短89.4%。進(jìn)行定向長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)設(shè)備如圖5 所示。

圖5 定向鉆機(jī)示意圖

5 結(jié)論

1）瞬變電磁法屬于一種非接觸式的物探方案，施工便捷、靈活性高，在探測(cè)時(shí)需要清理掉探測(cè)區(qū)域的金屬物體，避免對(duì)探測(cè)產(chǎn)生影響；

2）瞬變電磁法的探測(cè)有效性達(dá)到了96.9%，能夠?qū)⒎浪綔y(cè)時(shí)間縮短89.4%，顯著提升了井下防水探測(cè)的效率。