綜合電法勘探在巷道掘進中的應用研究

曹立平

（晉能控股集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 038300）

虎龍溝煤礦21517 運輸巷水文地質條件復雜，傳統鉆探方案導致巷道掘進效率低下，需要快速高效的超前探測方法[1-5]來提升虎龍溝煤礦巷道掘進效率。電法勘探是目前被廣泛應用于巷道的超前探測方法，但單一電法勘探具有一定的缺陷。因此根據不同電法勘探的優缺點，將不同電法勘探結合形成綜合電法勘探，是提高巷道超前探測效率和精度的有益探索。

1 工程背景

1.1 工程概況

21517 運輸巷位于81517 工作面，東西部未開拓，南部與盤區運輸大巷相接，北部鄰近塔山礦礦井邊界。巷道沿5#煤層底板掘進，煤層平均傾角為3°，均厚11.98 m。巷道設計長度954 m，矩形巷道（5.2 m×3.5 m）。巷道頂板為8.48 m 的余煤，煤層堅硬，普氏系數為4.5。直接頂為厚4.65～6.0 m的粉砂巖和煌斑巖，老頂為厚3.6～24.55 m 的粉砂巖和泥巖，直接底為厚1.95～3.25 m 的砂質泥巖，老底為厚3.35～12.15 m 的細砂巖。煤層厚度大，結構復雜，局部煤層頂板受火成巖侵蝕為煌斑巖，部分煤層受擠壓疏松。據相鄰塔山礦井資料推測可能存在1 條落差約1.5 m 的正斷層，存在水患和漏頂風險。

1.2 工程問題

由工程概況可知，掘進巷道煤層頂板有煌斑巖侵入，地質構造較復雜。根據“有掘必探，先探后掘”原則，為避免巷道掘進過程中揭露含水構造，需在巷道掘進期間對迎頭區域進行超前探測，保障巷道掘進的安全性。2021 年4 月巷道開始掘進，計劃掘進日進尺7 m，受傳統低效率鉆探技術影響，實際進尺6 m/d，影響了巷道掘進速度。因此，尋求一種快速且準確的超前探測方法尤為重要。

2 綜合電法勘探的分析

目前常用的電法勘探手段為瞬變電磁法和直流電法，兩種電法的原理不同，導致其適用范圍不同。對兩種方法在巷道超前探測中應用的基本原理和適用范圍進行分析，探究如何將兩種電法勘探手段有機結合，以實現在巷道掘進超前探測中的優化。

2.1 瞬變電磁法

（1）基本原理。布置于掘進工作面的重疊回線裝置，可以向掘進迎頭后方發射特定強度和方向的電磁波，瞬間關斷電流后，具有導電性能的煤巖體會在前方產生煙圈狀的不同強度的電磁場。由于發射線圈的距離和不同結構煤巖體導電性能的差異，根據接收電磁波的延遲時間和電阻率值變化規律，可以判斷巷道掘進迎頭前方的結構變化。即根據探測結果中高電阻圍巖中的低阻地質體（采空區、不規則水體和斷層等構造），實現巷道掘進的超前探測。瞬變電磁法原理如圖1。

圖1 瞬變電磁法超前探測示意圖

（2）適用范圍。由于瞬變電磁法是利用電流關斷的工作原理，距離掘進工作面迎頭較近的早期電磁場，衰減速度快，趨膚深度較小。距離掘進工作面迎頭較遠的晚期電磁場，衰減速度慢，趨膚深度較大。早期電磁場所得的數據量較少，對于構造區域的具體范圍探測不明。晚期電磁場衰減速度慢，探測所得數據量大，有效避免探測誤差。晚期電磁場的探測范圍一般距掘進工作面30 m 以外，因此掘進工作面30 m 以內采用此方法超前探測，可信度較低，30 m 以外的遠距離探測的精確度相對較高。

2.2 直流電法

（1）工作原理。直流電法的工作原理如圖2。在掘進工作面的后方和掘進迎頭處分別布置A、B接地電極，用以提供電流。在掘進工作面的后方間隔一定距離分別布置M、N 接地電極，用以測量電流。由于煤巖體的導電性差異，可以通過分析電流場的差異，確定掘進工作面迎頭前方的煤體特性（含水性）和地層構造（斷層、裂隙區和陷落柱等）。

圖2 直流電法工作示意圖

（2）適用范圍。受煤巖體電流損耗的影響，距離掘進迎頭較遠距離的數據可信度較差，因此直流電法僅適用于掘進工作面前方近距離（50 m 以內）的探測。

2.3 綜合電法勘探

綜上分析可知，瞬變電磁法遠距離探測精度較高，直流電法近距離探測精度較高。在巷道掘進過程中，采用瞬變電磁法和直流電法共同探測，先采用瞬變電磁法對前方構造進行探測，記錄瞬變電磁法探測結果中的異常區域，隨著巷道掘進至距異常區域50 m 處時，采用直流電法對瞬變電磁法探測發現的異常區域進行詳細的補充探測，利用直流電法近距離探測準確的優點，確定異常區域的具體范圍，為放水作業提供準確的資料，提高作業效率，避免探測誤差。綜合電法勘探結合了兩種電法勘探的優點，規避了單一電法超前探測的缺陷，使巷道掘進超前探測的精度和范圍大幅度提升。

3 工程應用

2021 年4 月—2021 年9 月，在21517 巷道掘進期間，采用瞬變電磁法和直流電法結合的綜合電法進行超前探測，探測巷迎頭前方100 m 的低阻體異常及分布范圍，分析迎頭前方的富水性。

3.1 綜合電法探測方案

（1）瞬變電磁法

探測采用YCS200（A）礦用瞬變電磁儀，發射及接收線圈為邊長1.5 m 的正方形線圈，發射線圈匝數4 匝，接收線圈匝數40 匝。供電電流檔為50 A，供電脈寬10 ms，采樣率16 μS。在進行超前探測時，線框法線方向指向探測方向，線框法線與巷道延伸方向分別呈+45°（仰角）、0°（順層）、-30°（俯角）、-45°（俯角），對每個方向±90°探測。規定探測方向為縱坐標正方向，垂直于探測方向為橫坐標（左負右正）；該位置施工形成4 個探測橫剖面，間隔進行11 次探測，共進行44 次探測，探測前方是否存在視電阻率小于15 Ω·m 為相對低阻異常區。

（2）直流電法

探測采用YDZ16（A）礦用多道并行直流電法儀，于掘進工作面后方順序布設供電電極B、測量電極N、測量電極M 及供電電極A。A、M 電極之間間隔15 m，N、M 電極之間間隔15 m，B 電極布設于掘進工作面處，隨巷道掘進向前移動。

3.2 實例分析

21517 運輸巷掘進至767 m 時，瞬變電磁法探測結果發現異常，對其探測結果圖進行分析，圖3為此時的（0～100 m）擬視電阻率等值線圖。

圖3 擬視電阻率等值線圖

由圖3 可知，仰角45°方向左前方40 m 處存在電阻率為140 Ω·m 的高電阻區，右前方60～80 m范圍內存在0～15 Ω·m 低電阻異常區，其余區域巖層電阻率在120 Ω·m 左右；在俯角30°方向前方60 m 處存在電阻率為172 Ω·m 的高電阻區，其余區域巖層電阻率在105 Ω·m 左右，可推斷掘進頭右前方60～80 m 的區域內存在異常區域。

當掘進頭推進至距異常區域30 m 時，通過直流電法對前方區域進行探測，圖4 為此時（0～50 m）直流超前擬視電阻率等值線圖。

圖4 直流超前擬視電阻率等值線圖

由圖4 可知，迎頭正前方30 m 位置處存在一處視電阻率值為15 Ω·m 的低阻異常區，其余區域視電阻率值在105 Ω·m 左右，與瞬變電磁法超前探測發現異常的位置重合，進一步驗證了此位置區域可能存在異常。2021 年8 月，礦方通過鉆探驗證，發現此區域存在弱富水性的斷層含水構造。隨后及時采取安全措施，消除了水害和頂板安全威脅，避免了安全事故的發生。21517 運輸巷相鄰巷道采用單一鉆探探水掘進方式的掘進速度為6 m/d，采用綜合電法超前探測后，僅需在異常區域補充鉆探，掘進速度增加到8 m/d，掘進效率提升了33%。

4 結論

（1）在巷道掘進超前探測中，瞬變電磁法近距離探測可靠性低，直流電法遠距離探測可靠性低。

（2）將直流電法和瞬變電磁法結合探測可有效提升超前探測范圍和探測精度。

（3）21517 運輸巷采用綜合電法探測后，水害威脅能提前探明，且掘進效率提升了33%。