礦井瞬變電磁法在東龐礦巷道迎頭富水性探測中的應用研究

劉博 項望 孟紅星

（河北省煤田地質局物測地質隊 河北邢臺 054000）

礦井瞬變電磁法在東龐礦巷道迎頭富水性探測中的應用研究

劉博 項望 孟紅星

（河北省煤田地質局物測地質隊 河北邢臺 054000）

礦井巷道迎頭前方的構造破碎帶、裂隙發育區、老窯采空區，陷落柱等富水體對巷道的安全掘進構成了威脅，也是礦井發生突水事故的主要原因。應用于井下的全空間瞬變電磁法超前探測技術，能夠有效的對巷道迎頭前方的水害進行提前預報和及時防治。本文結合冀中能源股份有限公司東龐礦9203工作面的礦井瞬變電磁工程實例，研究了礦井瞬變電磁超前探測裝置、施工設計及資料解釋流程。將探測成果和實際出水情況作對比，理性分析評價。

礦井瞬變電磁法；超前探測；富水性；東龐礦

1 前言

礦井安全生產是社會關注的焦點，煤礦突水也一直都是礦井生產單位重視的問題，因此如何確定掘進工作面前方和回采工作面頂底板的富水性是煤炭資源開采中需要解決的問題。在開采過程中通常采用解決這一問題的傳統方法是鉆探，而鉆探成本較高，對于人力物力都有很大的消耗，且容易受到隔水層的干擾，引發事故。同鉆探相比，利用先進的科學地質理論支撐的超前探測技術，在成本和便捷程度上都有無可比擬的優勢。礦井瞬變電磁超前探測理論和應用技術已經逐漸發展成熟，在全國礦井地質災害的預測和防治中得到了廣泛的應用。

2 礦井瞬變電磁法概述

2.1 礦井瞬變電磁法探查技術

井下瞬變電磁探測環境與地面差別很大，故回線組合裝置不能按地面條件選擇。①井下目標體距測點距離相對較近；②井下巷道空間有限，需要采用多匝數小回線裝置在煤礦井下巷道中進行探測。為了保證有足夠的發射功率和足夠強的有用感應信息，通過多次數值模擬與物理實驗，設計了2m×2m的多匝數且發射線圈與接收線圈匝數不同的方形重疊回線測量裝置[1～3]。

2.2 資料處理及成果顯示技術

礦井瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對采集到的數據進行去噪處理，根據晚期場或全期場公式將儀器測量的電流歸一化值轉換成不同時間窗口對應的視電阻率值，然后進行時深轉換處理，得到的各測線視電阻率斷面。

3 現場探測工程設計

3.1 探測工程概況

冀中能源集團東龐礦9203工作面位于北井工業廣場東側，在井下北鄰9201工作面，9201工作面已回采。該工作面煤層沉積較穩定，煤層傾角變化不大，11～13°左右，但結構復雜，根據相鄰9201工作面的實際揭露情況，9號煤一般含多層夾矸。相鄰的9201工作面，在切眼處通過鉆探驗證了小煤窯越界老空區的存在。

為了查明9203工作面掘進巷道前方水文地質情況，查明工作面切眼外側是否存在老窯采空積水區，為工作面的安全回采提供物探技術資料，要求在9203工作面軌道巷、皮帶巷的兩巷迎頭進行礦井瞬變電磁法探測工作。

3.2 施工布置

本次礦井瞬變電磁法水文探測采用重疊回線裝置，發射和接收線框采用多匝2m×2m矩形回線。采樣時窗為：1～34，疊加次數：64，時間采用標準時間序列。

測點布置在巷道迎頭空間位置（見圖1），即從巷道迎頭左側開始，首先使發射、接收天線的法線垂直巷道左側面進行測量，然后按一定角度旋轉天線，使天線的法線方向與巷道的左側分別成 15°、30°、45°、60°，75°和90°的夾角進行探測，當天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據其主迎頭斷面的寬度布置2～3個測點，到巷道迎頭右側時再旋轉天線，使法線方向與巷道右側分別成 90°、75°、60°、45°、30°和 15°的夾角進行探測。即在多個角度采集數據，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測深技術。

圖1

在實際工作過程中對于圖1中的每個發射點，可調整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道底板10°、水平、順煤層、頂板20°和頂板30°五個方向（即圖1中1、2、3和4所示方向）的圍巖變化情況，其探測方向如圖3所示。這樣可得到位于巷道迎頭前方一個錐體范圍內地層介質的電性變化情況。

4 探測結果分析

4.1 9203皮帶巷K20點前50m掘進迎頭超前探測結果

圖2 底板方向視電阻率等值線圖（左）；順層方向視電阻率等值線圖（右）

圖3 頂板10°方向視電阻率等值線圖（左）；頂板30°方向視電阻率等值線圖（右）

圖2和圖3為在9203皮帶巷K20點前50m掘進迎頭處沿圖3中1、2、3、4 和 5 所示方向分別向底板 10°、水平、順煤層、頂板 20°四個方向探測的視電阻率等值線圖。在迎頭正前方及右前方（右側0～60m、前方55～110m所圈定范圍內）對應視電阻率值相對較低，可解釋為對應范圍內煤層及其底板裂隙相對較為發育且被低阻體或裂隙水充填（或存在煤層采空積水區）。巷道迎頭左前方對應視電阻率等值線變化相對較為不明顯，說明巷道迎頭左前方對應超前探區域內地層連續性較好，無富水構造或者采空積水區的存在。在巷道迎頭右前方（右側0～30m、前方65～110m及右側60～100m，前方30～70m范圍內）具有局部低阻異常，可解釋為對應區間內存在局部裂隙發育且被低阻體充填。這兩個探測角度對應的低阻異常的視電阻率值較圖4～5中低阻異常的視電阻率值偏高，說明異常區主要是煤層及其附近底板破壞區域。

綜合以上度個方向對應的視電阻率等值線圖分析可知：在巷道掘進迎頭右前方（右側0～60m、前方55～110m所圈定范圍內）煤層及其底板裂隙相對較為發育且被低阻介質或裂隙水充填（或存在采空積水區）。

圖4 皮帶巷超前探測成果示意圖

4.2 地質結論及驗證對比情況

9203切眼外側如圖5的探測異常區域局部賦水裂隙發育，綜合礦方提供的礦井水文地質資料考慮與深部水力聯系不大，但考慮到工作面回采初次來壓之后可能導致局部水源涌入回采工作面，所以建議礦方在9203工作面掘進處布置探放水鉆孔驗證，排除隱患水源。

礦方根據礦井瞬變電磁勘探解釋成果，于9203工作面掘進迎頭后方10m處的20#鉆場布設1號抽放水鉆孔，與工作面掘進底板方向夾角10°，鉆孔深度120m，經過礦方布設的鉆孔驗證，鉆孔掘進100m處開始出水，總共出水15m（3見圖5）。

圖5 20#鉆場1號探放水鉆孔施工示意圖

5 結論

礦井瞬變電磁法作為井下物探的新興方法，在全國大部分礦區逐漸得到了推廣和應用，其應用效果和帶來的經濟和社會效益也逐漸得到認可。

（1）根據巷道條件給出了適應性較強的現場觀測系統，深入分析總結了礦井瞬變電磁探測處理與解釋技術。

（2）理論結合工程實例，證明礦井瞬變電磁法探測是可行的，可以有效的探查巷道迎頭的富水性，并圈定異常區域范圍。效率高，成果顯著，為礦井安全生產提供可靠保障。

[1]于景邨.礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[2]虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業出版社，2005：18～19.

[3]于景邨.礦井瞬變電磁法理論與應用技術研[D].徐州：中國礦業大學，2001.

[4]周嗣輝，于景郝，常江浩，等.錨網支護下礦井瞬變電磁響應特征及處理技術研究[J].礦業安全與環保，2014，41（3）：17～19.

P631.3+25

A

1004-7344（2016）18-0176-02

2016-6-1

劉博（1978-），男，工程師，本科，主要從事物探工作。