超前瞬變電磁探測技術研究及工程應用

閆圓維

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

1 直流電法與瞬變電磁法比較

在斜溝煤礦11 采區南翼18106 工作面應用最多的是水文物探法，該方法可以查清煤礦掘進過程中頂板水和斷層水帶來的水害，找到前方隱伏導水通道和地層含水性[1]，主要包括直流電法與瞬變電磁法，具體分析比較如表1 所示。

如圖1 所示，假設地殼介質呈現均勻介質狀態，正電極O 形成的電場形態應該為球形。不同的M 和N兩點形成的電位差將地殼介質導電性信息表達出來。

圖1 直流電法原理圖

在脈沖發射間歇期，觀測響應場的變化情況，找出二次場的大小。

2 地質概況

為了適應復雜地形條件，建設了足夠長的巷道XD1用于物流的運輸，巷道XD1通過走向178°、傾向268°、傾角68°、落差1.2 m 的斷層，進入夾煤層。該斷層帶巖層構造復雜、地質疏松、容易變形，而且靠近含水層，不斷橫生構造層。同時，新巷道XD2作為巷道XD1膠帶巷道的主干道起著重要的作用，呈現圓弧形狀，交通流量大。針對這個情況，提前鉆探和直流電法并不適合[2]。

3 超前瞬變電磁探測

3.1 超前瞬變電磁探測基本原理

在掘進過程中，迎頭空間變得狹小，巷道中的大線圈裝置往往難以布置于其中[3]。因此，要結合具體的施工條件選擇相應的超前探測裝置，具體超前探測布置如圖2 所示。

圖2 超前探測布置示意圖

依據相關原理，在超前瞬變電磁探測過程中，發射線圈匝數與發射功率成反比；發射磁矩與線圈匝數成正比。為了便于計算，發射線圈匝數增幅調整不宜過大，這樣可以將復雜的非線性正比關系，近似為線性，便于求解。也就是說，面對具有差異化的施工環境，工程人員應結合具體探測目的，采用適合的物探儀器，并設置適合的參數，最終得到理想的探測結果[4]。

如圖3 所示，在工作面探測過程中，一方面要確定發射點和接收點位置，探測過程從迎頭左幫開始，操作時發射和接收線圈軸線要與巷道的中軸線偏離一定角度；另一方面要按方案設計的探測角進行旋轉探測。需要注意的是，施工中兩線圈軸線要平行，兩線圈平面要垂直水平面。依據實際要求，設計適當的仰俯角進行測量，才能采集到更多更全面的數據。通過對采集到的數據進行分析處理，就可以對迎頭前方的含水體等低阻異常帶進行預判，為巷道掘進提供超前地質預報。

圖3 工作面內探測示意圖

3.2 超前瞬變電磁探測的探測儀器選擇

在本文案例中，瞬變電磁法所用儀器選用的是國內某自主品牌。為了便于比較結果，發射傳遞裝置和接收處理裝置為同一個儀器。在多層線數的設計中，采用2 m×2 m 矩形回線。同時，為了采樣便捷，應用64 次疊加法，按時間先后順序，依次實施采樣工作。

3.3 測點布置與施工方法

為了保證測量工作的快速有效進行，通過設立兩點觀測，設立依據是新巷道XD2和巷道XD1膠帶巷的不同距離設立，然后將掘進面依照不同角度劃分為三部分，再開始“扇形”的掃描工作，由此將掘進面從左到右分成左前方、中前方、右前方，此外還要對新巷道再次進行劃分，分布于左右不同距離的兩點地段，找出30 個相關的觀測點，對于膠帶巷則要在某一距離上找出14 個觀測點，每個觀測點找出相對應的另外3 個點。

3.4 超前瞬變電磁探測觀測結果分析

根據不同巖層具有不同含水性的特征，對二維電阻率剖面圖進行分析。通過瞬變電磁法在礦井下可建立電磁場，由于該測量法所需工具較多，受影響的因素也隨之增加，這些因素包括有回線的大小尺寸、軌道距離的長短、瞄桿的高低、管道的深入長度以及電纜鋪設情況等，因此要對井下的超前瞬變電磁聲音進行總結和整理，并從中找出規律。

斜溝煤礦工作面膠帶順槽迎頭正前方4.13～21.27 m 處存在低阻區，面積較大，根據鉆孔資料判斷為泥巖和砂泥巖地層，具有富水性，但含水性弱。建議對本次物探超前探測范圍內的迎頭正前方11.04 m 處出現的低阻區進行鉆孔驗證。在此工作面膠帶順槽位置繼續掘進5 m 后，在巷道掘進頭正前方布置1 個鉆孔進行超前探水，驗證本次探測的低阻異常區。

4 安全技術措施分析

4.1 “先探后掘”的安全措施

為保障軌道下山以及膠帶下山延伸施工的安全。在施工時必須要嚴格執行“敲幫問頂”制度，確保巷道周圍暴露出來但還未加以管理的巖石是否出現松動、斷裂和離層等問題。通過點柱的加固安全，防止在施工時發生冒頂事故，要求在施工過程中必須要在安全區域內進行，嚴禁空頂作業施工，特別是頂板突出加固支護，防止水倉因掘進的影響而發生漏水。

4.2 “短掘短支”的安全措施

在巷道施工過程中，一般采用“短掘短支”方式，必須要保障在安全位置。一般四人為一組，其中三人負責架棚，一人負責觀察頂板的情況，一旦發現異常情況的發生，必須立即通知其余三人撤離，等到故障排除并確認安全后，方可繼續進入作業。

4.3 “一炮三檢”的安全措施

嚴格按照相關的法律法規，堅持按照“一炮三檢，三人聯鎖”的放炮制度。在放炮前，對瓦斯情況進行認真檢查，當檢測瓦斯濃度（體積分數）超過0.5%時，嚴禁放炮。在放炮時，應設置警戒區域，警戒距離必須大于等于100 m。

5 結語

通過實踐證明，瞬變電磁探測技術對巷道施工位置有較強的適應性，面對復雜的地質構造，通過挖掘+15 m 膠帶巷道并靈活運用直流電法和瞬變電磁法開展物探工作，得到了較好成效，加強了防水工程的防治措施，同時也為防水技術提供更多的參考價值。