潞寧煤業31101工作面富水區瞬變電磁法探測技術

尚小平

(潞安集團 潞寧煤業公司，山西 寧武 036700)

1 工程概況

潞寧煤業31101工作面為3號煤層的首采工作面， 3號煤層厚度在1～1.8 m，均厚1.4 m，平均傾角為13°，一般含一層夾矸層，工作面采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，煤層直接底為泥巖，均厚2 m，基本底為粉砂巖，均厚6 m；直接頂為泥巖，均厚3.3 m，基本頂為砂巖，均厚7.5 m。

31101工作面位于2號煤下部，上距2號煤層27.10～35.88 m，平均32.11 m，工作面在回采過程中由于頂板垮落，會形成導水裂隙帶，該裂隙帶可能導致2號煤采空區積水涌入工作面，為保證工作面回采安全，采用瞬變電磁探測技術對工作面富水區域的含水情況進行了探測。

2 瞬變電磁法探測技術

瞬變電磁技術是一種時間預的電磁探測技術，是利用脈沖磁場的傳播原理，對該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的時間分布和空間分布進行觀測；其測量裝置由發射和接收回線構成；工作過程主要包括發射、電磁感應、接收三部分，在發射回線中存在著穩定電流，當電流切斷時會在回線周圍產生磁場，該磁場成為一次磁場，若該磁場在傳播過程中遇到導電的地質體，便會在內部產生感應電流，該感應電流會隨著時間的變化而產生新的磁場，稱為二次磁場[1-2]，二次磁場的產生主要源于被探測地質體內部的感應電流，該感應電流包含著大量的地質信息，能夠通過量測各個時間段二次磁場的時間變化規律得出不同深度的地點特征，進而確定出探測區域導體的分布結構及空間形態，確定出探測區域的含水量。具體原理示意如圖1所示。

根據眾多研究及工程實踐表明[3-4]，瞬變電磁技術在均勻的全空間介質中，隨著瞬變電磁作業的進行，磁場的擴散范圍會逐漸增大，且發射回線中心位置處的磁場強度最大；另外根據瞬變電磁在不同時刻下Y方向感應電場等值線分布狀態得出感應電場的等值線會沿著水平方向移動，且等值線的半徑在逐漸增大的同時不會出現上下移動。

圖1 瞬變電磁技術原理示意

3 方案設計與結果分析

3.1 方案設計

1) 使用儀器。根據31101工作面的具體地質及水文條件，確定本次探測使用儀器為礦用瞬變電磁儀YCS40，瞬變電磁儀器參數主要設置如下：發射電壓7.2 V，發射頻率8.3 Hz，疊加次數32，抑制系數1，測道數40，記錄時窗35 ms；發射線框的邊長2 m，發射匝數9，接收回線邊長2 m，接收匝數18。

2) 探測范圍及方式。根據31101工作面上覆含水巖層及采空區積水量的具體情況，確定對31101工作面運巷圖上3106點后35.4 m至3110點前38.33 m右幫、以及3112點前9.23 m至3116點后29.94 m右幫水平方向和頂板100 m范圍進行探測，如圖2所示。

圖2 31101工作面瞬變電磁探測區域示意

3) 施工方案。具體在探測時，分兩段進行，其中一段的探測范圍為運巷3106點后35.4 m和前274.6 m，另一段的探測位置與第一段相距65 m，探測的長度為240 m，每間隔5 m探測一次，并且在每個探測方位角按照探測法向傾角為：60°、45°、30°、15°、0°分別進行探測，施工方案如圖3所示。

圖3 施工示意

4) 完成工作量。在31101工作面運巷兩段順變電磁技術的測試區域，分別完成了60°傾角探測采集112個物理點；45°傾角探測采集112個物理點；30°傾角探測采集112個物理點，15°傾角探測采集112個物理點，0°傾角探測采集112個物理點；共采集5組560個物理點。

3.2 數據處理與結果分析

3.2.1 數據處理

通過對數據處理，得到瞬變探測視電阻率分布成果圖(圖4)。在圖4中，坐標(0，0)點表示探測體端點位于31101工作面運巷圖上3106點后35.4 m右幫處和圖上3112點前9.23 m右幫處。在每幅圖中，依次用紅、黃、綠、藍代表不同的視電阻率值，顏色越接近紅色(圖中下部)，表示視電阻率越高即巖層相對含水性越弱，反之，顏色越接近藍色(圖中上部)，表示視電阻率越低，該位置相對含水性越強。

由于瞬變電磁法探測具有低阻屏蔽的特性，真實的低阻區域可能小于圖中顯示的低阻范圍，所以由此得出的低阻范圍只能是相對值。瞬變電磁法只能探測低阻區域的最近距離，而不能確定低阻區域的最遠邊界，所以實際工作中只能圈定低阻范圍的最近距離。

3.2.2 結果分析

1) 31101工作面運巷圖上3106點后35.4 m至3 110 m前38.33 m右幫瞬變電磁法探測成果。根據該區域60°傾角下的探測結果，探測區域內無明顯相對低阻異常區，45°、30°、15°及0°傾角下探測結果中均存在著相對低阻異常區，具體0～45°下探測結果如圖4所示。

圖4 傾角45°～0°下視電阻率分布

通過分析圖4得出，在傾角45°下，其探測區域內的相對位置為4～18 m、縱坐標60～95 m處存在一相對較大的低阻區，根據現場測試初步判斷可能為干擾引起； 30°傾角下，探測區域內分別在(0～40 m， 45 m以外)、(52～106 m，47 m以外)、(132～185 m，54 m以外)、(200～226 m，77 m以外)存在相對低阻異常區； 15°傾角下，探測區域內分別在相對位置(0～40 m，35 m以外)、(45～290 m，30 m以外)存在相對低阻異常區；0°傾角下，探測區域內分別在相對位置(0～17 m，25～63 m)、(54～100 m，60 m以內)、(172～218 m，50 m以內)存在相對低阻異常區。

2) 31101工作面運巷圖上3112點前9.23 m至3116后29.94 m右幫瞬變電磁法分析結果。60°傾角下探測區域內無明顯相對低阻異常區，在探測傾角為45°和30°時該區域的探測結果與圖4的結果基本一致，現對該區域探測傾角為15°和0°時視電阻圖進行具體分析，如圖5所示。

圖5 傾角15°和0°下視電阻率分布

通過分析圖5可知，在探測15°傾角下探測區域內分別在相對位置(0～70 m，60 m以外)、(94～120 m，72 m以外)、(132～240 m， 45 m以外)存在相對低阻異常區；0°傾角下，探測區域分別在(60～68 m，25～70 m)、(92～150 m， 45 m以外)、(210～235 m， 25～95 m)存在相對低阻異常區。

根據上述分析結果，31101工作面相對低阻異常區(富水區域)的分布情況如圖6所示。

圖6 31101工作面異常區域的分布

4 結 語

采用瞬變電磁探測技術對潞寧煤業31101工作面上覆含水巖層及采空區積水情況進行了，根據探測結果可知，31101工作面運巷圖上3106點后35.4 m至3110點前38.33 m區域，在15°方向上斜向距離30 m以遠，賦水可能性較大；31101工作面運巷圖上3112點前9.23 m至3116點后29.94 m探測區域15°方向至水平方向，賦水可能性較大，在工作面回采前應對這些區域進行探放水作業，以保障工作面的安全回采。