綜合物探技術(shù)研究及在梨園河煤礦的應(yīng)用

王帥華

（大同煤礦集團軒崗煤電有限公司梨園河煤礦，山西 忻州 034114）

礦井水害是煤礦主要的井下地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約煤礦正常安全生產(chǎn)秩序。為了避免井下突水、透水事故的發(fā)生，地球物理工作者需要針對井下作業(yè)環(huán)境及時、有效、精確地對井下地質(zhì)水文情況做出地球物理預(yù)測、預(yù)報，對礦井地質(zhì)水文理論、水害預(yù)測技術(shù)以及水害防治與控制技術(shù)等方面進行研究。

1 瞬變電磁法技術(shù)分析

瞬變電磁法通過不接地回線或接地線源形成電磁脈沖，將電磁脈沖導(dǎo)入地下形成脈沖磁場，脈沖磁場衰減周期內(nèi)存在二次渦流場，可通過線圈或接地線源進行觀測。電磁脈沖的形成是通過不接地回線或接地線源等發(fā)射線圈形成波狀電流，發(fā)射后就會在介質(zhì)空間內(nèi)構(gòu)成磁場，而地下的導(dǎo)電巖礦體會在自身產(chǎn)生感應(yīng)電流，脈沖停止后，巖體中的感應(yīng)電流開始伴隨熱損耗進行衰減，根據(jù)衰減特征將衰減階段劃分為早期、中期和晚期。可以通過測量出的磁場內(nèi)巖體感應(yīng)電流衰減規(guī)律判斷不同深度的地電特征。例如在礦井井下工作面進行超前探測，需要設(shè)置電磁發(fā)射線框和接收裝置，發(fā)射線框向不同巖層傳播電磁信號形成渦流場，斷電后形成二次場內(nèi)的感應(yīng)電位由接收裝置觀測，通過感應(yīng)電位變化狀況判斷被測巖層內(nèi)電性變化情況。

瞬變電磁法在進行超前探測過程中，測量范圍約為100m，受一次場和關(guān)斷時間影響會在中淺部出現(xiàn)約20m的探測盲區(qū)，為此根據(jù)探測結(jié)果掘進推進距離每次不宜超過80m。在實際施工過程中為了保證施工作業(yè)與物探作業(yè)協(xié)調(diào)一致，根據(jù)瞬變電磁法探測結(jié)果進行的作業(yè)會預(yù)留30m的安全作業(yè)距離，即巷道掘進或井下探水鉆孔作業(yè)通常施工探明巖體的70m距離。

（1）電磁探測法探測過程測點一般位于巷道迎頭，為了使探測結(jié)果更加全面，測量需要對迎頭不同角度進行數(shù)據(jù)測試。作業(yè)時發(fā)射及接收天線自巷道迎頭左側(cè)開始，并且兩天線法線與左側(cè)面垂直，測試角度自30°向90°旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)15°進行一次測試，轉(zhuǎn)向至垂直于巷道迎頭面時并按照迎頭斷面寬度設(shè)置2～3個測點；隨后自巷道右側(cè)進行測試，測試過程由天線法線與側(cè)面垂直角度開始，由90°旋轉(zhuǎn)至30°進行測試，每轉(zhuǎn)15°進行一次測試。

（2）瞬變電磁勘探的目的是探測掘進巷道迎頭方面及底板60m范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，對底板應(yīng)適當(dāng)進行加密探測。同時由于瞬變電磁法特有體積效應(yīng)，能對相對被探測方向30°內(nèi)的錐形面內(nèi)低阻信息進行收集。

為了得到掘進頭前方巖體的實測剖面結(jié)構(gòu)，需要測試過程中通過移動發(fā)射、接收線圈進行多處測試，通過調(diào)整各個發(fā)射點的天線法線與巷道底板間夾角改變測量位置，通常包含巷道迎頭前方頂板30°、水平、底部30°、60°四個方向。

2 直流電法技術(shù)分析

直流電法通過單極—偶極電阻率法進行超前探測，將被測空間假設(shè)為一均勻介質(zhì)，空間有供電電極A及與其相隔無窮遠(yuǎn)處的供電電極B，兩者最終在空間形成球型的等電位面，檢測兩個不同被測電極M、N之間電位差，該差值為巖體的綜合電性響應(yīng)。被測空間的異常體由于與周圍環(huán)境介質(zhì)不同，導(dǎo)電性能不同，異常體規(guī)模較大并且測量位置得當(dāng)，測量過程中異常體與周圍介質(zhì)邊界就會形成明顯電位差異，通過檢測設(shè)備及相關(guān)計算能夠發(fā)現(xiàn)明顯的電位邊界異常。不過直流電法受到方法自身和作業(yè)空間環(huán)境影響，也具有一定的局限性。

（1）各巖、煤巷道及采空區(qū)為不導(dǎo)電空間，導(dǎo)致使用礦井電阻率法測量的全空間穩(wěn)恒電流場分布規(guī)律復(fù)雜，礦井電阻率法處理和解析數(shù)據(jù)過程中需要通過考慮井巷分布空間結(jié)構(gòu)和電流場空間分布趨勢，從而數(shù)據(jù)不易處理。

（2）該方法進行數(shù)據(jù)采集過程受到作業(yè)空間影響，作業(yè)過程中只能沿巷道單一方向進行，尤其進行巷道超前探測時局限性更為明顯，無法將數(shù)據(jù)構(gòu)成三維數(shù)據(jù)體。

（3）該方法缺點在于操作工作量大，相對效率低下，作業(yè)過程會影響作業(yè)范圍內(nèi)的正常生產(chǎn)活動。

3 綜合物探技術(shù)在梨園河煤礦的實踐

大同煤礦集團梨園河煤礦位于山西省忻州市寧武縣，其主要含煤層為2#、3#、5#、6#。礦井所采煤層中以2#煤水文發(fā)育較為明顯，存在裂隙充水含水層，并且該奧灰?guī)r溶裂隙水高于2#煤部分區(qū)域，水文地質(zhì)類別為2類2型，水文條件中等。進行水文地質(zhì)物探過程中嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水規(guī)定》及有關(guān)探放水相關(guān)技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求。物探作業(yè)過程嚴(yán)格執(zhí)行“物探先行，鉆探驗證”，并以瞬變電磁法、直流電法同時進行探查作業(yè)，并對兩種方法得出的數(shù)據(jù)匯總分析，為巷道推進所需要的地質(zhì)資料進行精準(zhǔn)的預(yù)測，為礦井安全生產(chǎn)秩序提供有力的保障。

北翼皮帶巷在巷道掘進過程中，以北翼4點+65m為基點對該巷道迎頭正前方及頂、底板處地質(zhì)情況進行探測。根據(jù)相關(guān)探測原則，探測過程自巷道正中心對巷道迎頭進行各個角度的探測，探測自迎頭左側(cè)135°自垂直迎頭方向，再從垂直迎頭方向轉(zhuǎn)向迎頭右側(cè)45°位置，并且各測點在測試過程中分別沿頂板與水平30°、水平順層方向、底板與水平30°夾角三個方向各自測量數(shù)據(jù)，進行巷道迎頭正中心位置時，測量角度可增至+45°和-45°位置，最終根據(jù)數(shù)據(jù)繪制縱剖面。瞬變電磁法進行探測于迎頭順層位置發(fā)現(xiàn)大約60～84m處出現(xiàn)視電阻率偏低，頂板30°處探測結(jié)果顯示迎頭約62～85m處視電阻率偏低。

使用“三點源法”進行該巷道的直流電法探測，供電極設(shè)置在距離巷道迎頭后14m處，三個供電極A1、A2、A3應(yīng)間隔布置，每4m設(shè)置一個電極。測試電極M、N電極設(shè)置在巷道后方并以4m為間隔進行移動測量，無窮遠(yuǎn)電極B應(yīng)與巷道迎頭位置相距300m以上。根據(jù)“三點源法”測試結(jié)果顯示巷道迎頭前方64～78m視電阻率偏低。

圖1 兩種測量方法測試結(jié)果與實際情況對比示意圖

由瞬變電磁法和直流電法測量結(jié)果顯示，匯總數(shù)據(jù)得出大約距離巷道迎頭6084m的順層及頂板位置為相對富水異常區(qū)，數(shù)據(jù)重合位置相對富水性區(qū)域幾率較大，結(jié)合該礦區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)資料可以推斷2#煤層頂板K2砂巖存在裂縫富水。北翼皮帶巷北翼4點+65m實際掘進到62～76mK2巖層位置開始出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量約為20m3/h，與綜合物探后數(shù)據(jù)預(yù)測位置基本一致。兩種測量方法及實際情況對比示意圖如圖1所示。

4 結(jié)語

通過結(jié)合瞬變電磁法和直流電法進行綜合物探，對礦井井下作業(yè)進行超前預(yù)測，對井下水害防治工作提供了有力的技術(shù)支持，通過對比實際掘進與探測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：同時使用瞬變電磁法和直流電法進行綜合物探，探測結(jié)果精度較高，同時該方法投入少，效率高；依據(jù)“物探提供靶區(qū)，鉆探驗證”的作業(yè)思想，更加有效預(yù)測礦井水文地質(zhì)狀況，形成了一套有效的規(guī)范化作業(yè)流程，超前預(yù)測技術(shù)能有效減少鉆探施工工作量，提高鉆探效率，同時可以通過鉆探驗證預(yù)測結(jié)果，確保預(yù)測結(jié)果正確性。