瞬變電磁法在煤礦掘進工作面水害分析預測中的應用

王東升，吳 強，楊百順

(1.四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610045；2.四川省安科技術咨詢有限公司，四川 成都 610045)

近年來，煤礦重特大水害事故呈多發易發態勢，給煤礦企業和礦工的生命財產造成了巨大的損失。如2010年3月28日，山西王家嶺煤礦掘進工作面發生特大突水事故，造成38人死亡[1]；2011年5月29日，貴州省富宏煤礦掘進工作面發生重大透水事故，造成12人死亡；2012年5月2日，黑龍江省峻源二礦掘進工作面發生重大透水事故，造成13人死亡。煤礦采掘活動中，未嚴格執行“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，一旦遇到積水區、富水區，極易造成重特大水害事故，因此做好掘進工作面超前水害分析預測工作十分必要。

煤礦掘進工作面水害超前探測方法多種多樣，其中直流電法、音頻電透視、瞬變電磁法應用最為廣泛，對巖層的富水性的反應較為敏感[2-4]。每種探測方法各有優缺點，其中瞬變電磁法憑借其成本低、效率高、對含水體響應靈敏等優點[5]，成為煤礦采掘工作面水害預測預報的首選方法。

本文首先介紹瞬變電磁法的工作原理和特點，對井下瞬變電磁法探測的影響因素進行分析，然后以某礦掘進工作面為工程背景，通過對掘進工作面順層、頂板、底板方向的超前探測，分析研判掘進工作面水害水情，針對低阻異常區進行鉆探驗證，為煤礦掘進工作面水害防治提供技術指導，保證掘進工作面安全施工。

1 井下瞬變電磁法原理及特點

1.1 井下瞬變電磁法工作原理

井下瞬變電磁法是利用不接地回線向探測地層發射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈觀測二次渦流場的方法[6-7]。其工作方法是在井下掘進工作面設置發射線圈，首先通以一定波形電流，從而在巷道周圍空間產生一次磁場，并在圍巖中產生感應電流，然后進行斷電，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程分為早期、中期、晚期，早期電磁場衰減快，趨膚深度小，晚期電磁場衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后不同時間段的二次場隨時間的變化規律，即可得到不同深度巖層的地電特征[8]。

1.2 井下瞬變電磁法的特點

與地面瞬變電磁法探測不同，由于受煤礦巷道斷面影響，井下瞬變電磁法采用小規模的多匝回線裝置，能有效降低體積效應的影響，進一步提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率。井下瞬變電磁法的測量裝置距離低阻異常區更近，與地面同樣裝置及參數設置相比信號更強，大大提高了測量信號的信噪比。井下瞬變電磁法測量時，既可以直立于巷道內進行超前探測，也可以傾斜于巷道頂底板測量一定深度內含水性異常體的垂向和橫向發育規律。

2 井下瞬變電磁探測影響因素

根據井下瞬變電磁法的工作原理可知，井下現場采集數據時測量信號的信噪比的高低決定了探測結果的好壞。掘進工作面積水、金屬設備設施、電磁干擾是信噪比高低的主要影響因素[9-10]。掘進工作面積水主要有施工水、頂板淋水等，瞬變電磁探測作業區域積水將導致數據成果圖中出現假的低阻異常區，影響探測結果真實性；掘進工作面金屬設備設施主要有金屬網、錨桿、錨索、單體支柱、綜掘機、裝巖機、膠帶架、鋼軌等，其中一些金屬設備設施由于數量少、體積小，對探測結果影響不大，但綜掘機、裝巖機、膠帶架等大型設備設施則會對探測結果產生較大影響，需要向磧頭后方移動15 m以上；掘進工作面為綜掘機、膠帶輸送機、裝載機等供電的動力電纜產生的電磁干擾對探測結果影響大，探測時需要對除監控電纜以外的電纜進行斷電處理。

3 工程背景

某煤礦批準開采二疊系上統宣威組的細花炭煤層和大漢炭煤層，宣威組厚約113 m，可分為一段和二段，其中，大漢炭煤層位于宣威組二段頂部，煤厚0.80～1.30 m，頂板以炭巖、砂質泥巖為主，底板以砂質泥巖、粘土巖為主；細花炭煤層位于宣威組一段底部，煤厚0.50～1.20 m，頂板以粘土巖、砂質泥巖為主，底板為黃鐵礦粘土巖，與下伏茅口組灰巖呈假整合接觸，地層綜合柱狀如圖1所示。二采區排水巷掘進工作面位于細花炭煤層底板15 m左右的二疊系下統茅口組灰巖中，掘進工作面頂底板均為堅硬的深灰色、黑灰色的石灰巖，一般情況下巷道圍巖完整性好。巷道斷面為4 m×4 m，臨時支護采用單體支柱支護，永久支護采用噴漿支護，全斷面一次性鉆爆施工，耙斗式裝巖機裝巖，U型礦車運輸。

圖1 巖層綜合柱狀圖

茅口組灰巖為富水性強的巖溶含水層，巖溶發育，地下水以管道徑流為其主要特征。根據以往井下揭露地質資料分析掘進施工過程中可能揭露小型構造和斷層破碎帶，現場掘進施工至里程160 m時，巷道左幫揭穿巖溶裂隙水體，涌水量約165 m3/h，造成掘進設備被淹，給掘進施工帶來嚴重影響。為有效防范水害事故，經研究決定選用井下瞬變電磁法進行水害超前預測分析，結合鉆探驗證，采取科學措施消除隱患。

4 工程應用

4.1 探測施工方案

根據超前探測目的，選用YCS256礦用本安型瞬變電磁儀，沿二采區排水巷掘進工作面布置3條探測線，每條探測線設置11個物理點，共計33個物理點。第1條測線沿巷道頂板斜向上設置(45°)，第2條測線沿巷道順層方向設置(0°)，第三條測線沿底板斜向下設置(-45°)，1號～5號、7號～11號物理點探測方向之間夾角為15°，6號物理點探測方向與磧頭方向一致，施工布置圖如圖2所示。

圖2 井下瞬變電磁法超前探測施工布置圖

為減小各種客觀因素對探測結果的影響，探測前將耙斗裝巖機、單體支柱等設備設施后撤20 m，對電氣設備設施進行斷電處理。

4.2 探測結果分析

通過對采集數據的預處理—格式轉換—濾波處理—降噪處理—晚期視電阻率計算—時深轉換—結果圖，得到頂板、順層、底板方向的視電阻率等值線圖，如圖3所示。

由圖3可知，二采區排水巷掘進工作面頂板方向(45°)共發現兩處低阻異常區，R1和R7，R7推測為由于裂隙發育造成的巖體潮濕，R1推測為裂隙發育形成的良好的富水區域和導水通道；排水巷掘進工作面順層方向(0°)共發現兩處低阻異常區，R2和R3，推測為裂隙發育形成的良好的富水區域和導水通道；排水巷掘進工作面底板方向(-45°)共發現三處低阻異常區，R4、R5和R6，R4和R5推測為裂隙發育形成的良好的富水區域和導水通道，R6推測為由于裂隙發育造成的巖體潮濕。

圖3 二采區排水巷掘進工作面超前探測視電阻率成果圖

4.3 鉆探效果驗證

按照井下探放水“三專兩探”工作要求，煤礦防治水專業技術人員組織編制了《二采區排水巷掘進工作面探放水設計》，采用專用探放水鉆機對R1～R7等7處低阻異常區進行了鉆探效果驗證，R1～R7低阻異常區對應鉆孔涌水量如表1所示。

表1 R1～R7低阻異常區對應鉆孔涌水量

鉆探驗證結果顯示，二采區排水巷掘進工作面前方頂底板及順層方向均存在不同程度的巖溶裂隙水，瞬變電磁法超前探測分析預測結果與鉆探驗證效果基本一致，礦井提前采取調整二采區排水巷掘進方向的措施，繞開了巖溶裂隙水發育區，實現了安全掘進。

5 結 語

瞬變電磁法在掘進工作面水害超前探測中可以發揮成本低、效率高等優勢，通過超前探測視電阻率的研判分析，初步圈定富水低阻異常區位置，再通過鉆探驗證精準掌握掘進工作面前方水害特征，兩者相互印證，提高了預測分析的準確性，為掘進工作面水害防治提供了技術支撐，可有效避免掘進過程中水害事故發生。