基于瞬變電磁法的井下全面防水探測技術(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 長治 046100）

隨著煤礦綜采作業(yè)深度地不斷增加，在開采過程中出現(xiàn)透水事故的概率迅速加大，因此在掘進(jìn)的過程中需要對掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行全面的富水性探測，對富水區(qū)域進(jìn)行放水，保證在掘進(jìn)過程中的安全性。但目前的物探方案在實際使用過程中存在著探測效率低、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)采用新的快速探測技術(shù)，提高對井下探測效率。

1 瞬變電磁探測原理

瞬變電磁法是通過一組形成閉環(huán)的多匝線圈作為探測體，利用裝置使探測體定向發(fā)出一次脈沖磁場。當(dāng)脈沖磁場在巖層內(nèi)穿過時在楞次定律的作用下產(chǎn)生了二次磁場感應(yīng)電流，探測體又會反向接收二次磁場的數(shù)據(jù)信息，如圖1 所示，通過對所接收到的磁場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的原理，因此對探測區(qū)域內(nèi)的金屬分布敏感性極大，在進(jìn)行探測前需要對區(qū)域進(jìn)行清理，避免留存有金屬，影響探測的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行探測時還需要確保各探測點探測體回線裝置和錨桿、錨網(wǎng)的距離不小于500 mm，保證探測體周圍不存在剛性體的干擾，最大限度的提升井下探測的準(zhǔn)確性[2]。

2 瞬變電磁法現(xiàn)場施工方案

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。通過前期地質(zhì)勘探，該區(qū)域為富水區(qū)，因此需要對井下積水情況進(jìn)行詳細(xì)探測，為巷道掘進(jìn)和支護(hù)提供理論依據(jù)。

根據(jù)井下實際情況，將測點設(shè)置在材料巷、運輸巷內(nèi)，在井下設(shè)置4 個測點，每個測點之間的距離為6 m，其探測的方向為沿著工作面的綜采方向頂板斜向上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。每個位置設(shè)置7 個探測方向，保證探測的全面性，井下瞬變電磁探測點探測方向如圖2 所示[3]。

圖2 井下巷道探測點探測方向示意圖

3 瞬變電磁探測結(jié)果分析

瞬變電磁探測儀接收到探測信息后，需要對探測信息進(jìn)行分析，通過對不同區(qū)域探測成果的劃分，確定各個電阻區(qū)域的地質(zhì)條件特性，其對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程可總結(jié)為以下幾個步驟：

1）計算出探測完成的7 個方向上的電阻率等值線擬斷面圖[4]；

2）對各個探測方向上的測線進(jìn)行測點、探測方向、探測深度空間位置坐標(biāo)的編組，完成瞬變電磁探測的聯(lián)合反演，進(jìn)而獲取探測區(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)井下的實際地質(zhì)情況，對綜采面、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區(qū)域內(nèi)可劃分為1 級、2 級和3 級含水異常區(qū)域，其對應(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，對各個區(qū)域的位置、大小進(jìn)行自動標(biāo)定，便于工作人員快速獲取直觀的探測結(jié)果，為井下的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，瞬變電磁探測結(jié)果分布如圖4 所示。

圖4 井下含水區(qū)域探測結(jié)果分布示意圖

由實際探測結(jié)果分布可知，在頂板上10 m 的區(qū)域內(nèi)，分布著1～5 號3 級含水區(qū)域，由于其電阻率較大因此該區(qū)域含水分布相對較小，為弱富水區(qū)域。在順層位置分布在6～10 號2 級含水區(qū)域，其探測電阻率中等，因此含水分布相對較多，為中富水區(qū)域。在底板下40 m 的區(qū)域內(nèi)，分布著11～17 號共7 組3 級含水區(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)過程中需要進(jìn)行重點疏水，確保井下作業(yè)的可靠性和安全性。

4 井下物探復(fù)測

為了對瞬變電磁法的實時探測效果進(jìn)行驗證，利用定向長鉆孔技術(shù)對探測區(qū)域進(jìn)行鉆孔探水[6]，根據(jù)實際鉆探結(jié)果，在17 個含水區(qū)域內(nèi)，只有15 號區(qū)域為弱富水區(qū)域，和瞬變電磁探測結(jié)果存在差異，其他16 個區(qū)域的鉆孔探測效果和瞬變電磁法探測效果一致。對非含水區(qū)域進(jìn)行15 次探測對比，探測結(jié)果和瞬變電磁法的探測結(jié)果一致，表明了瞬變電磁法的探測有效性達(dá)到了96.9%。而且由于瞬變電磁法的探測便捷性，能夠?qū)⒎浪綔y時間縮短89.4%。進(jìn)行定向長鉆孔定向鉆進(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，在探測時需要清理掉探測區(qū)域的金屬物體，避免對探測產(chǎn)生影響；

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