瞬變電磁法對掘進巷道前方充水老空區(qū)探測的應用性研究

馮 輝

（山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000）

礦井瞬變電磁法是一種非接觸式的針對含水層、采空區(qū)等富水性探測的物探方法，可利用多裝置和多方向的形式來滿足探測要求，能夠對含水體進行目的性的探測，是目前煤礦井下防治水工作中常用的物探方法。礦井瞬變電磁法具有施工效率高、投入及安全成本低的優(yōu)點，能夠適應煤礦巷道空間狹小、存在大量鐵器等影響因素的施工條件。新村煤業(yè)15109回風順槽掘進前方存在有原飛馬煤礦采空區(qū)，該采空區(qū)位于向斜槽部，地勢較低，原飛馬煤礦關閉后匯集了大量積水，但礦方缺少采空區(qū)的范圍和積水情況等資料，這對15109回風順槽的掘進工作造成很大的安全隱患。如何有效利用礦井瞬變電磁法來探查工作面掘進前方老空區(qū)的積水情況。本文結合新村煤業(yè)15109回風順槽的井下瞬變電磁探測實例進行說明。

1 工程概況

山西新村煤業(yè)有限公司地理坐標為東經113°14′06″～113°16′52″，北緯36°52′40 ″～36°54′51″。井田位于武鄉(xiāng)縣東部，距武鄉(xiāng)縣約50 km，距長治市約105 km。該礦15109回風順槽北起礦井西膠帶大巷，南接15109工作面開切眼，鄰礦井井田南界，東為15109備采工作面，西為井田小窯破壞區(qū)。本巷道掘進煤層為15#煤，位于石炭系太原組一段中部地層，煤層厚平均5.2m，傾角2°～15°。本次探測位置位于距15109回風順槽開口605.6 m處（見圖1）。

2 礦井瞬變電磁法基本原理

依據時間域全空間瞬變電磁場的基本原理，通過發(fā)射線圈向地質體發(fā)射瞬變一次場，這種迅速衰減的電場在其周圍的介質中感應出新的渦流場（二次場），通過接收線圈測量二次場隨時間的變化特征，反映了感應場所覆蓋的地質體按電性特征的空間分布規(guī)律，通過礦井瞬變探測技術的信號處理、干擾校正、算法反演、時深轉換及成圖處理，進而得到地質異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。利用煤礦各種地質現象的不同電阻率反映，實現對迎頭以及巷道側幫、煤層頂、底板等前方的富水區(qū)域進行較精確解析。

圖1 現場探測位置及區(qū)域示意圖

3 瞬變電磁法探測方案

3.1 設備選型及數據采集觀測系統(tǒng)

本次探測采用YCS40（A）礦用瞬變電磁儀進行數據采集工作。YCS40（A）礦用瞬變電磁儀是一種便攜式寬時窗范圍智能化的儀器，該儀器接收和發(fā)射一體化，體積小，重量輕，特別適合于井下超前探測和復雜地區(qū)情況下的水文地質勘探，且效率高，抗干擾能力強。

根據瞬變電磁法基本原理，YCS40（A）礦用瞬變電磁儀的數據采集觀測系統(tǒng)如圖2所示，電磁場等效電流環(huán)將沿傾斜錐面地下擴散（圖2a），因此，一次電磁場向遠處傳播范圍為一個錐體，其中箭頭所指方向為探測方向，虛線部分為探測范圍（圖2b）。在巷道內布置探測方向角度主要是依據探測距離和煤層傾角來確定線框的布置，同時根據儀器的探測深度范圍來確定測點相隔距離，在保證探測精度的同時盡量減少工作量，提高工作效率。

3.2 探測方案確定

根據儀器數據采集觀測系統(tǒng)原理、工作面水文地質情況及井下現場條件，本次探測發(fā)射和接收線框采用多匝2×2m矩形回線，發(fā)射頻率為8.3 Hz，發(fā)射電流為1.9～2.2 A。在迎頭橫向剖面上布設5個測點，依次從右?guī)偷阶髱停瑴y線橫向角度為60°、75°、90°、105°、120°，在縱向剖面上分別對頂板15°和順層方向兩個方向進行探測。探測方向及角度見圖3與圖4。

圖2 探測錐體示意圖

圖3 測點布置橫向剖面示意圖

圖4 測點布置縱向剖面示意圖

4 探測成果分析

4.1 數據處理

（1）現場數據采集。由于施工期間現場綜掘機距迎頭8 m，迎頭附近底板積水較多，對探測存在較大的干擾。為保證原始數據的質量，對出現畸變的數據采取重復采樣和提高疊加次數等方法進行處理。

（2）數據預處理。包括數據的拆分與組合、奇異點（道）數據剔除、道參修改及數據平滑處理等。

（3）數據核心處理。主要計算全程視電阻率。包括屏蔽校正、時間與深度的轉換及盲區(qū)校正等。

4.2 探測成果資料分析

數據處理后，得到15109回風順槽超前探測視電阻率等值線擬斷面圖，如圖5與圖6所示。本次探測的感應盲區(qū)為20 m。圖中，坐標軸0點位置為本次物探迎頭位置，縱坐標表示迎頭前方探測深度，橫坐標軸負坐標方向表示巷道左幫探測深度，橫坐標軸正坐標方向表示巷道右?guī)吞綔y深度。數值越小，表示該區(qū)域含水性越強。

圖5 頂板15°方向視電阻率等值線圖

從圖5頂板15°方向等值線圖看出，在有效探測深度100 m范圍內，存在一處低阻異常，圖中標為低阻異常區(qū)1，本異常區(qū)位于巷道掘進方向左側63°～95°，距離迎頭斜向距離71.6 m以遠的范圍內。根據礦方的水文地質資料分析，低阻異常區(qū)1推測可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

圖6 順層0°方向視電阻率等值線圖

從圖6順層方向等值線圖看出，在有效探測深度100 m范圍內，存在一處低阻異常，圖中標為低阻異常區(qū)2，本異常區(qū)位于巷道掘進方向左側66°～87°，距離迎頭斜向距離80.5 m以遠的范圍內。根據礦方的水文地質資料分析，低阻異常區(qū)2推測可能為原飛馬煤礦采空積水區(qū)影響。

5 探測結果驗證情況

礦方探放水隊在距開口635.5 m處（物探施工位置29.9 m后）鉆探和實際掘進揭露證實（鉆孔參數見表1）：其中2#鉆孔掘進方向右22°、+3°，打鉆60 m透空出水，約40m3/d，累計放水2556 m3。本次物探準確預測了采空區(qū)積水位置及影響范圍。

表1 鉆孔參數表

6 結論

（1）通過對15109回風順槽前方老空區(qū)瞬變電磁法探測結果及礦方實際鉆探驗證資料綜合對比分析，礦井瞬變電磁法較為準確地確定了15109回風順槽掘進前方充水老空區(qū)的位置及空間展布情況，表明采用礦井瞬變電磁探測技術，可以準確有效地探測掘進巷道前方充水老空區(qū)情況，為礦井探放水工作提供必要的技術支撐，同時提高了探放水工作質量和效率。

（2）本次探測現場存在一定的干擾源，對數據的采集造成一定的影響。在今后的井下物探工作中，應嚴格按照《煤礦防治水細則》第三十六條的規(guī)定執(zhí)行，要求距探測點20 m范圍內不得存放掘進機、鐵軌、皮帶機架等大型金屬物體，且迎頭附近不得有積水，巷道內動力電纜、大型機電設備必須停電。只有保證了原始數據的可靠性，才能確保最終探測成果的準確性。

（3）建議礦方按照“物探先行、鉆探驗證”的綜合探測原則，根據物探結果，調整探放水設計，在掘進過程要針對迎頭前方的異常區(qū)域進行專項鉆探驗證，并形成驗證報告，從而完善探測區(qū)域內的物探資料，為本礦其他工作面的物探解釋提供參考依據。