趙文曙，劉 軍，李永軍

(1.山西古縣西山圪堆煤業(yè)有限公司，山西臨汾 042400;2.北京華安奧特科技有限公司，北京 100085;3.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

在煤礦開采過程中，巷道掘進(jìn)前方隱伏的含(導(dǎo))水構(gòu)造極易引發(fā)礦井突水事故，對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大的威脅。因此，在巷道掘進(jìn)過程中，查明采掘工作面前方的含(導(dǎo))水構(gòu)造是煤礦安全生產(chǎn)中亟待解決的問題。

礦井瞬變電磁法可以解決煤礦掘進(jìn)工作面前方富水性構(gòu)造超前探測問題，其克服了井下電法超前探測距離受空間場地限制、需埋設(shè)電極等缺陷，具有探測距離遠(yuǎn)、方向性強(qiáng)、精度高、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。

因此，筆者在山西臨汾圪堆煤礦采用礦井瞬變電磁法對井下掘進(jìn)工作面富水異常體進(jìn)行探測，預(yù)測了巷道前方含(導(dǎo))水?dāng)鄬游恢眉案凰闆r，探測結(jié)果與鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 礦井瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)［1］是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流所產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間的分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。

1.1 探測的物性基礎(chǔ)

由于煤系地層沉積序列清晰，地層相對穩(wěn)定，在正常地層組合條件下，橫向與縱向上都有固定的變化規(guī)律［2］，因此，瞬變電磁技術(shù)能根據(jù)地層電性特點(diǎn)探明工作面頂、底板及巷道掘進(jìn)工作面前方水平和垂直方向上的的低阻含水構(gòu)造。

掘進(jìn)工作面前方巖層中的富水區(qū)，電阻率通常較低;工作面或巷道內(nèi)的較大落差的斷層(＞1/2煤厚)，其兩側(cè)常存在煤層變薄現(xiàn)象，電阻率與正常塊段存在差異;厚層穩(wěn)定煤區(qū)則表現(xiàn)為相對高阻?？梢?，富水區(qū)和煤層變薄區(qū)等與正常煤層間存在明顯的電性差異，瞬變電磁法即可通過這種差異來查明相關(guān)問題。

綜上所述，當(dāng)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論含水與否，都將引起地層電性在縱向和橫向上的變化。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井瞬變電磁法探測提供了良好的地質(zhì)條件［3－6］。

1.2 礦井瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁的基本工作方法是向發(fā)射線圈通以一定波形的電流，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減，早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，即放映的為淺部信息;而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大，即反映的為深部信息。通過測量斷電后不同時間的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征［7］。

由于煤系地層成層分布，各巖層電阻率不同，當(dāng)前采用的裝置型式在井下巷道空間中進(jìn)行超前探測時，線圈與巖層的耦合方式發(fā)生改變，由原來的平行層理變成垂直層理，進(jìn)而一次場的激發(fā)方式由原來的垂直層理變成平行層理，一次場激發(fā)方式的改變帶來瞬變場分布與擴(kuò)散方式的改變［8］。因此，在數(shù)據(jù)的采集與處理時應(yīng)采取平行層理條件下的相關(guān)理論，將發(fā)射線圈置于掘進(jìn)工作面，其發(fā)射源激勵下的渦流場在不同巖層中傳播，形成的二次場又會被置于工作面的接收裝置以感應(yīng)電位的形式接收，通過觀測感應(yīng)電位的變化，從而推測工作面前方電性的變化。

2 典型實(shí)例

圪堆煤礦地處沁水煤田沁安普查勘探區(qū)西南部邊緣，其上部地層存在富水性弱的砂巖裂隙含水層，且區(qū)內(nèi)存在積水采空區(qū)，加之井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育等諸多不利因素并存，探放水任務(wù)較為艱巨。

本次超前探測探測工區(qū)選擇在+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷。+1085m水平軌道運(yùn)輸巷自6號煤層底板開始，穿越6號煤層、6號煤層頂板、5號煤層底板、5號煤層、5號煤層頂板、4號煤層底板、4號煤層、4號煤層頂板，最后在4號煤與3號煤之間轉(zhuǎn)入北翼皮帶巷。其中6號煤層為局部可采煤層，4號、5號煤層為不可采煤層。

井田內(nèi)奧灰水水位在+820 m左右，該巷道的掘進(jìn)最低標(biāo)高為+1085.00 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奧灰水水位，因此巷道在掘進(jìn)過程中不會受奧灰水威脅;該巷道在掘進(jìn)過程中要穿越山西組的K7含水層，該含水層為一層裂隙不甚發(fā)育的中、細(xì)粒砂巖弱富水性含水層，在掘進(jìn)過程中可能會出現(xiàn)輕微的頂板淋水現(xiàn)象，但對掘進(jìn)工作的影響不會很大;原圪堆煤礦開采的煤層為2號、3號煤層，而該巷道掘進(jìn)是自6號煤層至3號煤層掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中不會有老空水的威脅。

在+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程當(dāng)中，含(導(dǎo))水隱伏構(gòu)造為防治水重點(diǎn)對象。

為了探明迎頭前方含(導(dǎo))水構(gòu)造的發(fā)育情況，保證巷道掘進(jìn)安全，在+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭處利用超前探測裝置進(jìn)行了瞬變電磁超前探。

圖1 煤層綜合柱狀圖(1∶500)

圪堆煤礦掘進(jìn)巷道超前瞬變電磁探測采用北京華安奧特科技有限公司生產(chǎn)的YCS150瞬變電磁系統(tǒng)，該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動記錄和存儲，并能現(xiàn)場成圖。

2.1 電阻率與富水性關(guān)系試驗(yàn)

為提高分析解釋精度，在探測之前，應(yīng)對探測區(qū)進(jìn)行物探試驗(yàn)，以摸清探測區(qū)內(nèi)異常區(qū)地電特征。故選取了四個已鉆探驗(yàn)證過的區(qū)域及距離水倉不同距離的兩個地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，所選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)有副斜井、主斜井、12210運(yùn)輸順槽、12210回風(fēng)順槽，此四個地點(diǎn)與+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷的水文地質(zhì)條件相近，因此其電阻率與富水性關(guān)系對于探測工作具有借鑒意義。

通過試驗(yàn)獲得了試驗(yàn)區(qū)異常情況的實(shí)際電阻率參數(shù)，如表1所示。

表1 低阻情況與電阻率值對應(yīng)表

根據(jù)已知的富水情況，結(jié)合物探在已知區(qū)域電阻率反映，分析電阻率與富水性關(guān)系。其中12210回風(fēng)順槽試驗(yàn)點(diǎn)前方40m位置涌水量大于5 m3/h，可定義為富水區(qū)域;水倉為富水區(qū)域;副斜井試驗(yàn)點(diǎn)與12210運(yùn)輸順槽試驗(yàn)點(diǎn)前方的涌水點(diǎn)定義為弱富水區(qū)。

從物探試驗(yàn)情況可知，較富水地段的電阻率值反映為2.3～12.0 Ω·m，弱富水區(qū)域電阻率值反映為8.6～16.5 Ω·m，不富水區(qū)域電阻率值一般大于14.3 Ω·m。

通過物探試驗(yàn)，綜合分析物探在富水區(qū)域的低電阻率值特征，可初步得出圪堆煤礦水文－地球物理電性特征:瞬變電磁探測時電阻率值為0～10 Ω·m體現(xiàn)為富水;電阻率值為8～16Ω·m體現(xiàn)為弱富水。

2.2 探測方案及成果

2.2.1 探測方案

本次瞬變電磁探測采用偶極裝置，該裝置有靈活方便、探測分辨能力較強(qiáng)、一次場的影響較小等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射電流為1.8 A，頻率12.5 Hz，發(fā)射線圈2×2m×40匝，接收線圈直徑0.6m，發(fā)射—接收間距為4m，且所采用的YCS150礦井瞬變電磁系統(tǒng)發(fā)射線框和接收線框?yàn)橥耆蛛x的兩個獨(dú)立線框，可與煤層底板含水異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。

根據(jù)現(xiàn)場情況，本次瞬變電磁法迎頭超前探測共三個方向:迎頭向上45°、順層、迎頭向下45°，每個方向7個角度呈扇形布設(shè)，如下圖所示:

圖2 迎頭超前探測布置示意圖

2.2.2 探測成果

通過瞬變電磁探測，得到+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷迎頭斜上45°、順層、斜下45°探測成果圖，下面主要對順層探測成果(圖3)進(jìn)行分析。

從成果圖可看出低阻區(qū)域相對明顯，電阻率值為1.4～8.49 Ω·m，對比前期物探試驗(yàn)可知，可能存在大的水體。為驗(yàn)證礦井瞬變電磁法超前探測結(jié)果，再應(yīng)用高密度電法對迎頭前方進(jìn)行超前探測，該方法受環(huán)境干擾較小，遇較小規(guī)模地電異常體則可獲得較強(qiáng)的異常響應(yīng)。高密度電法超前探測結(jié)果顯示+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭前方40～50m范圍內(nèi)存在低阻異常，如圖4所示。

通過礦井瞬變電磁法探測與礦井高密度電法超前探測的對比驗(yàn)證，可知迎頭前方45～55 m范圍內(nèi)存在明顯低阻異常區(qū)，可能存在含(導(dǎo))水構(gòu)造發(fā)育。對比驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

圖3 副斜井(+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷)掘進(jìn)迎頭探測順層方向成果圖

圖4 +1085 m水平軌道運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭高密度電法超前探測成果圖

圖5 副斜井(+1085 m水平軌道運(yùn)輸巷)異常區(qū)平面分布圖

為驗(yàn)證物探結(jié)果，采用鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證，以指導(dǎo)安全掘進(jìn)工作。鉆孔布置方式采用扇形布置，共布置5個鉆孔。

1)中心鉆孔

鉆孔數(shù)量為3個，鉆進(jìn)方向?yàn)橄锏涝O(shè)計中心線方向，1#為正中心鉆孔，距巷道頂板1.5 m，坡度為0°，鉆進(jìn)深度60 m;2#為中心上部鉆孔，距1#鉆孔 1.00 m，坡度為 +19°，鉆進(jìn)深度63.5 m，3#為中心下部鉆孔，距1#鉆孔0.8 m，坡度為－21°，鉆進(jìn)深度64.30 m。

2)左側(cè)鉆孔

在巷道中心線的左側(cè)距中心鉆孔1.0 m布置一個鉆孔，鉆孔編號為4#，鉆孔與中心孔的平面夾角為21°，坡度為0°，鉆進(jìn)深度64.3 m。

3)右側(cè)鉆孔

在巷道中心線的右側(cè)距中心鉆孔1.0 m布置一個鉆孔，鉆孔編號為5#，鉆孔與中心孔的平面夾角為21°，坡度為0°，鉆進(jìn)深度64.3 m。

朝巷道正前方鉆探時，1#鉆孔進(jìn)尺47 m處出水，總放水量達(dá)10萬多立方米。與探測結(jié)果相符，避免了掘進(jìn)過程中水害的發(fā)生，確保了礦井的掘進(jìn)生產(chǎn)安全。

3 結(jié)語

通過礦井瞬變電磁法在圪堆煤礦掘進(jìn)巷道前方富水體探測中示范性應(yīng)用，體現(xiàn)出了YCS150礦井瞬變電磁儀輕便、現(xiàn)場操作簡單快捷、不受現(xiàn)場狹小空間限制、可實(shí)現(xiàn)任意方向探測等獨(dú)特優(yōu)勢。探測成果證明了該方法可較準(zhǔn)確的探測出采掘工作面前方含(導(dǎo))水構(gòu)造，為礦井防治水措施的提前制定提供可靠依據(jù)。

鑒于瞬變電磁技術(shù)分辨率高但易受干擾的實(shí)際情況，探測之前應(yīng)做好儀器參數(shù)選擇試驗(yàn)、提供良好的施工環(huán)境并結(jié)合礦方實(shí)際情況，做好探采對比工作，摸清水文地質(zhì)—地球物理響應(yīng)特征。

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