礦井瞬變電磁法在煤礦掘進工作面的應用★

林井祥，張繼忠，王思宇，王 闊

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

礦井水害事故是煤礦“五害”之一，而在煤礦掘進工作面中的突水事故是典型的礦井水害事故，因此堅持預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采的煤礦防治水原則，其中“先探后掘”中的探即煤礦掘進工作面施工過程中在迎頭利用直接或間接的方法向前一定范圍內進行超前探測，能夠清楚掌握煤礦掘進工作面迎頭前方圍巖的富水情況及隱伏構造情況，可以有效避免礦井水害事故發生，為煤礦安全生產提供有效依據[1-2]。通過實踐證明，當前對掘進工作面迎頭探測主要采用鉆探和物探兩種方法，雖然鉆探法能直觀、準確地反映出所探查區域的地質體信息，但其探測范圍有限、費時費力效率低、施工成本高，且具有一定的盲目性和危險性，因此為滿足工程進度的要求，大多采用物探方法進行超前探測，而最有效的技術手段就是礦井瞬變電磁法，這種方法對低阻體反應敏感，指向性強不受高阻層屏蔽，體積效應小，超前探測距離較大，施工方便快捷，效率高等優點[3]。

鑒于此，筆者在分析礦井瞬變電磁法基本原理基礎上，結合某煤礦工程實例，應用礦井瞬變電磁法對該煤礦平巷掘進工作面進行超前探測，通過礦井瞬變電磁法探測反演成果推斷迎頭前方圍巖的導水通道及富水情況，進行鉆探驗證，為煤礦安全生產提供技術指導。

1 基本原理

礦井瞬變電磁法——基于電磁感應原理上的時間域人工源電磁探測方法。它利用不接地回線Tx(磁源)向巷道全空間發送脈沖磁場(通常稱為一次場)，在一次場關斷的瞬間，由于作用在良導電礦體上磁通的變化，在良導電礦體中激勵起的感應渦流，其是隨時間衰變的渦流場，從而激勵起隨時間變化的感應電磁場(通常稱為二次場)。由于二次場包含有良導電礦體形狀、大小、位置及導電性等豐富的地電信息，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用接收線圈Rx觀測二次場(或稱響應場)，通過對這些響應信息的提取和分析，從而達到探測目的[4]。工作原理如圖1所示。

2 工程實例

探測地點為某煤礦24號層0片平巷掘進工作面，該掘進工作面為矩形半煤巖巷道臥底掘進，支護采用錨桿加鋼帶支護，頂板較完整，掘進過程中有淋水現象。工作面測區內有部分金屬裝置和電纜等，會對數據采集產生一定的影響。

2.1 數據采集

根據探測需要及現場條件，現場布置3條測線，測線間距1 m，每條測線布置7個測點，點間距1 m，如圖2所示。

本次礦井瞬變電磁法超前探測采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬變電磁儀，該設備主要由兩部分組成：信號接收部分(包括主機和接收線圈)和信號發射部分(發射機、供電機和發射電纜)。采用發射機在后，接收機在前，同軸垂直接收數據模式。發射機調節輸出電流1.0 A，發射頻率25 Hz，發射框與接收框間距10 m；發射框尺寸1 m×1 m，接收線框為1D線框。關斷時間140 μs，數據采集采用20門。

數據采集前首先進行儀器調試，以保障儀器正常工作。采集開始進行重復頻率、增益、關斷時間及積分時間比較設置，選擇最佳測量參數。采集過程中對異常點均進行復測，以保證數據的可靠性。從一次場和觀測值dB/dT曲線圖看，本次數據采集受現場工作條件影響較小，現場數據較好。

2.2 數據解釋

通過運用PROTEM-47瞬變電磁儀對探測區進行超前探測，采用BETEM反演軟件對采集數據進行處理，使用surfer軟件成像出圖，得到探測區3條測線的視電阻率剖面圖(如圖3所示)。圖中的等值線為視電阻率值(Ω·m)。

礦井瞬變電磁法所得各測線視電阻率等值線為富水函數等值線，不同色界代表視電阻率相對高低，數值越小，視電阻率越低，富水性相對也越強。從圖3中可知，沿巷道掘進工作面底板呈10°俯角超前探測的測線1剖面圖，前方50 m

附近區域有一小的低阻異常出現；沿巷道掘進工作面正前方水平探測的測線2剖面圖，前方50 m～60 m區域有一小的低阻異常出現；沿巷道掘進工作面頂板呈30°仰角超前探測測線3剖面圖，前方50 m～60 m區域有一低阻異常出現，據此推斷出巷道掘進工作面迎頭前方50 m～60 m附近區域有一積水區。

2.3 鉆探驗證

按照有疑必探的煤礦防治水原則，根據礦方提供已知資料，結合物探解釋結果，對巷道迎頭方向進行鉆探驗證，距離50 m處鉆探見流水現象，在生產中采取疏通等安全措施，有效地保證了掘進工作面的安全生產。根據以上分析結果，可見礦井瞬變電磁法推斷異常積水區位置與鉆探揭露情況吻合，驗證了這種方法的有效性。

3 結語

以雞西礦區某煤礦工程實例，采用礦井瞬變電磁法探測煤礦掘進工作面迎頭富水情況。結果表明，礦井瞬變電磁法探測解釋結果推斷出巷道掘進工作面迎頭前方50 m～60 m附近區域有一積水區。通過鉆探驗證，證實探測結果與鉆孔驗證情況基本吻合，可見礦井瞬變電磁法能夠作為尋找煤礦掘進工作面迎頭積水區的有效方法，具有十分重要的工程應用價值。