瞬變電磁法在礦井老窯采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用

周鴻波

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500）

0 引言

資源整合礦井在回采煤層時常受到老窯采空區(qū)影響，同時部分老窯采空區(qū)分布位置不詳，導(dǎo)致煤炭開采時受老窯采空區(qū)積水影響，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的突水事故[1]。在煤炭開采以及巷道掘進(jìn)期間，掌握采掘范圍內(nèi)地質(zhì)資料、老窯采空區(qū)分布情況以及富水情況等，對實現(xiàn)采掘安全開采有顯著的促進(jìn)作用。現(xiàn)階段煤礦井下常用的探測手段包括有鉆探、物探兩種類型[2-3]。若通過高密度鉆探方式對老窯采空區(qū)范圍、積水情況等進(jìn)行探測，可取得較為顯著的探測成果，但是也存在勞動強(qiáng)度大、成本高以及鉆探量大、一次探測范圍小等缺點，同時部分鉆探作業(yè)會影響井下生產(chǎn)；物探具備探測范圍廣、成本低、效率高等優(yōu)點，采用直流電探測時，有效探測長度一般在50 m 以內(nèi)，但在探測過程中電極布置耗時、效率低；瞬變電磁具備探測精度高、便于施工、成本低、對低阻異常區(qū)靈敏度高、探測分辨率高等優(yōu)點，在礦井井下積水區(qū)探測中應(yīng)用較為廣泛[4-7]。以山西某礦2117 上順槽掘進(jìn)為工程背景，將瞬變電磁法應(yīng)用到老窯采空區(qū)積水探測中，探測成果可有效指導(dǎo)巷道掘進(jìn)及井下防治水工作的開展。

1 工程概況

該礦為山西省資源整合礦井，設(shè)計產(chǎn)能為300 萬t/a，批準(zhǔn)開采2 號、3 號、6 號、9 號、13 號等煤層，保有資源存量達(dá)到1.2 億t 以上，開采范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。受到井田開采范圍內(nèi)小煤窯開采影響，淺部的2 號、3 號煤層存在老窯采空區(qū)，同時采空區(qū)分布位置是否有積水等信息不詳。2117 上順槽采用綜掘方式，沿著2 號煤層底板破頂掘進(jìn)，矩形斷面（凈寬3.8 m、凈高2.2 m），設(shè)計掘進(jìn)長度2 890 m，主要用以采面回風(fēng)使用。2 號煤層厚度均值為1.2～1.6 m，煤層傾角為3°～8°，煤層結(jié)構(gòu)較為簡單。2 號煤層上覆有厚度為0.15 m 泥巖偽頂，深灰色，隨掘隨垮；直接頂厚度為2.75～3.69 m 砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差；基本頂厚度為5.8～13.1 m 粉砂巖，較為穩(wěn)定；直接底厚度為5.9 m 石灰?guī)r。

裂隙含水層是2 號煤層開采時主要涌水水源，該含水層補(bǔ)給水源來源于大氣降水，降水通過基巖裂隙深入到裂隙含水層中。底板奧灰水位于2 號煤層底板標(biāo)高以下，基本不會對2 號煤層回采帶來影響。2117上順槽掘進(jìn)期間面臨的主要安全隱患為老窯采空區(qū)及采空區(qū)內(nèi)積水。為此，文中采用瞬變電磁探測技術(shù)對老窯采空區(qū)積水進(jìn)行探測，以便指導(dǎo)巷道掘進(jìn)工作。

2 瞬變電磁法現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 瞬變電磁法探測原理及技術(shù)特點

瞬變電磁法探測機(jī)理是導(dǎo)電介質(zhì)在階梯電磁場激勵作用下出現(xiàn)的渦流效應(yīng)，通過技術(shù)探測分析渦流磁場強(qiáng)度、時間及空間特征，即可實現(xiàn)探測區(qū)介質(zhì)物性參數(shù)探測。具體探測過程為：采用不接地回線向探測區(qū)發(fā)射一次脈沖磁場，發(fā)射的一次脈沖磁場間歇期間在激發(fā)場作用下，探測區(qū)介質(zhì)內(nèi)會有明顯的二次渦流顯現(xiàn)；通過線圈即可探測二次渦流場強(qiáng)度、時間及空間分布，分析上述參數(shù)分布特征可得到探測區(qū)內(nèi)介質(zhì)物理性質(zhì)、分布情況[8]，具體如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法探測原理

探測區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體瞬變電磁響應(yīng)可用回線上的響應(yīng)等效表達(dá)，回線中感應(yīng)電壓V2（T）與二次磁場時間導(dǎo)數(shù)成正比，具體為:

其中：τ 為衰減時間常數(shù)，無量綱。

公式忽略導(dǎo)電覆蓋層影響，探測區(qū)內(nèi)圍巖巖性對瞬變電磁探測影響主要體現(xiàn)在以下方面：一是導(dǎo)電圍巖“環(huán)流”響應(yīng)；二是“環(huán)流”向良導(dǎo)電地質(zhì)體集流響應(yīng)；三是“環(huán)流”向良導(dǎo)電地質(zhì)體感應(yīng)渦流響應(yīng)。上述三種響應(yīng)程度受探測區(qū)圍巖視電阻率影響，當(dāng)圍巖電阻率相對較小時則集流響應(yīng)起主導(dǎo)作用。

瞬變電磁對井下低阻區(qū)較為敏感，同時高阻層不會對電磁場產(chǎn)生屏蔽，因此瞬變電磁探測技術(shù)探測范圍較廣；現(xiàn)場探測時具有布置靈活、便于施工、測距大等優(yōu)點，探測工序少，可明顯降低探測勞動強(qiáng)度。由于瞬變電磁對低阻較為敏感，但巷道內(nèi)綜掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、錨桿、金屬網(wǎng)以及積水等干擾因素較多，因此在現(xiàn)場探測時需要提供一個干擾相對較小的探測環(huán)境。

2.2 現(xiàn)場探測方案

采用瞬變電磁探測的目的是探測2117 上順槽掘進(jìn)前方一定范圍內(nèi)老窯采空區(qū)積水情況，以便指導(dǎo)后續(xù)巷道掘進(jìn)、鉆探及探放水等工作。探測采用的瞬變電磁儀型號為Protem47，該探測設(shè)備通過使用分離回線裝置可消除探測線圈回線互感影響，抗干擾能力、探測精度等優(yōu)勢較為顯著。

瞬變電磁探測位置布置在2117 采面切眼處。根據(jù)現(xiàn)場條件，在水平方向上從巷道左幫-迎頭-右?guī)头较虬凑?5°間隔角實現(xiàn)13 個角度探測，可實現(xiàn)前方180°范圍全覆蓋探測；在豎向方向，按照0°、±20°、±40°等5 個角度進(jìn)行探測，現(xiàn)場瞬變電磁探測共計有65 個探測點。

在現(xiàn)場探測時，將綜掘機(jī)等低阻設(shè)備移至Protem47 瞬變電磁儀后方15 m 以外，同時確保靠近迎頭10 m 范圍內(nèi)無積水。在探測期間應(yīng)確保巷道內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備均處于斷電狀態(tài)，在數(shù)據(jù)采集期間收、發(fā)線圈均應(yīng)遠(yuǎn)離低阻金屬材料，以便提升探測數(shù)據(jù)的可靠性及精準(zhǔn)性。

2.3 探測解釋機(jī)分析

在現(xiàn)場探測時發(fā)現(xiàn)有1 處視電阻異常區(qū)，位于巷道迎頭前方40～85 m 處，與2117 上順槽右?guī)烷g距10～20 m，推測該異常區(qū)為老窯采空區(qū)且采空區(qū)內(nèi)存有積水。采用TENINT 軟件反演解釋成果如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法反演成果圖

為考察探測區(qū)域內(nèi)富水情況，在圈定的低阻異常區(qū)內(nèi)設(shè)計2 組鉆孔，結(jié)果顯示施工的探測鉆孔均見水，表明圈定區(qū)域內(nèi)老窯采空區(qū)內(nèi)富水。為確保2117上順槽掘進(jìn)安全，并與老窯采空區(qū)間留設(shè)一定的安全煤柱，在2117 上順槽反掘巷施工期間向下移動15 m，可有效避免老窯采空區(qū)積水對巷道掘進(jìn)的影響，同時由于留設(shè)了一定寬度的保護(hù)煤柱，可確保后續(xù)2117 綜采工作面回采安全。

3 結(jié)論

1）瞬變電磁法具有探測距離遠(yuǎn)、分辨率高等優(yōu)點，在煤礦井下富水區(qū)、地質(zhì)異常區(qū)等探測中有較好的應(yīng)用效果，但在現(xiàn)場應(yīng)用時也面臨著干擾因素多的影響，對現(xiàn)場探測點環(huán)境要求較高。在瞬變電磁法現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)盡量布置在干擾因素少的位置，以便提升探測效果。

2）在2117 綜采工作面應(yīng)用瞬變電磁法探測鄰近的老窯采空區(qū)積水情況，現(xiàn)場確定有1 處低阻異常區(qū)，并通過鉆探發(fā)現(xiàn)該異常區(qū)為老窯采空區(qū)且存有積水。瞬變電磁法現(xiàn)場應(yīng)用可指導(dǎo)礦井防治水工作以及采掘工作安全高效開展。依據(jù)瞬變電磁探測成果2117 上順槽反掘施工位置向南移動15 m，不僅避免老窯采空區(qū)積水給巷道掘進(jìn)帶來的影響，還避免了突出或者涌水情況發(fā)生，同時由于適當(dāng)增大了保護(hù)煤柱寬度，確保了2117 綜采工作面后續(xù)回采的安全性。