戴如金

摘 要：鉆孔突水事故影響井下生產(chǎn)安全，瞬變電磁法可對(duì)含水異常區(qū)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。在青崗坪煤礦42105掘進(jìn)巷道工作面迎頭235 m處，使用礦井瞬變電磁法探測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)各方向的導(dǎo)電及含水情況并圈定含水異常區(qū)，可以為后續(xù)的巷道掘進(jìn)及安全生產(chǎn)工作提供有效指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：煤礦;瞬變電磁法;超前探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.325文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0078-03

Abstract： The borehole water inrush accident affects downhole production safety， and the transient electromagnetic method can effectively predict the water-bearing abnormal area. In Qinggangping Coal Mine 42105 tunneling face at 235 m head-on， the mine transient electromagnetic method is used to detect the conduction and water content in all directions in the survey area and delineate the abnormal water content area， which can provide effective guidance for subsequent roadway excavation and safe production.

Keywords： coal mine;transient electromagnetic method;advanced detection

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，承壓水等水體沿裂隙及鉆孔涌入工作區(qū)，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。煤層頂?shù)装迳皫r構(gòu)造裂隙發(fā)育，其導(dǎo)電性受含水量的影響比較顯著，電法勘探常用于解決水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的相關(guān)問(wèn)題，它是以地殼中巖礦石間的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和研究電磁場(chǎng)的空間與時(shí)間分布規(guī)律進(jìn)行勘探的方法，能有效探測(cè)含水異常區(qū)[1]。其中，礦井瞬變電磁法使用的測(cè)量裝置體積小、易攜帶、精度可靠，常用于完成井下富水區(qū)域的探測(cè)工作[2]。因此，為避免生產(chǎn)作業(yè)受到地下水體的影響，采用礦井瞬變電磁法對(duì)井下含水陷落柱、富水異常區(qū)、迎頭前方突水構(gòu)造等含水地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)，這樣不僅能合理地設(shè)計(jì)巷道走向，還能在保證生產(chǎn)安全的同時(shí)提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，其在水文地質(zhì)勘探中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 礦井瞬變電磁法原理及特點(diǎn)

瞬變電磁法是利用不接地回線(xiàn)或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，該脈沖電磁場(chǎng)通過(guò)產(chǎn)生地下渦流可引起二次電磁場(chǎng)，然后用接收裝置觀(guān)測(cè)二次電磁場(chǎng)空間和時(shí)間分布的時(shí)間域電磁法[4-5]。根據(jù)工作環(huán)境不同，其使用的測(cè)量裝置也有所差異。礦井瞬變電磁法是瞬變電磁法在井下環(huán)境中的特殊運(yùn)用，其基本原理在于線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可等效為一個(gè)水平環(huán)狀線(xiàn)電流的磁場(chǎng)[6]，而且煤層通常對(duì)電磁波不具屏蔽性，故礦井瞬變電磁可擴(kuò)散至全空間，所測(cè)信號(hào)為線(xiàn)框周?chē)臻g巖石電性的綜合反映，再通過(guò)結(jié)合地質(zhì)資料可判斷地質(zhì)異常體的空間位置。

礦井瞬變電磁勘探在井下巷道進(jìn)行，因此在測(cè)量裝置、資料處理和解釋方法方面主要有以下特點(diǎn)[7-8]：裝置多采用邊長(zhǎng)小于3 m的多匝小線(xiàn)框，體積小且輕便，工作效率高;采用更密的勘測(cè)點(diǎn)距（一般為2～20 m），可提高異常體的感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度;小線(xiàn)框發(fā)射的電磁波具有方向性，可對(duì)頂、底板及迎頭方向的含水異常體進(jìn)行超前探測(cè);受井下金屬儀器設(shè)備的影響較大，須在后期的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行校正;受關(guān)斷時(shí)間的影響，礦井瞬變電磁法一般無(wú)法探測(cè)到更淺部的異常體，往往在淺部形成30 m左右的盲區(qū)。綜合以上特點(diǎn)，在采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行探水時(shí)必須結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的探測(cè)裝置，以達(dá)到最佳效果。

2 青崗坪煤礦4-2煤探測(cè)分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置及施工方法

礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數(shù)小回線(xiàn)裝置測(cè)量，參數(shù)選擇是否合理直接影響測(cè)量結(jié)果，一般可通過(guò)增加回線(xiàn)匝數(shù)、加大發(fā)射電流來(lái)增大發(fā)射磁矩，從而提高發(fā)射功率，增加有效探測(cè)深度[9]。

陜西青崗坪煤礦采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行含水異常區(qū)的探測(cè)，其間使用重疊回線(xiàn)裝置，發(fā)射線(xiàn)框和接收線(xiàn)框統(tǒng)一采用2 m×2 m矩形多匝回線(xiàn)，采樣時(shí)窗定為1～34，疊加次數(shù)為64次，選用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間序列。探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置于陜西青崗坪煤礦42105掘進(jìn)巷道工作面迎頭235 m處，由于該迎頭處左、右兩側(cè)均為老空巷分布，故探測(cè)方向由左側(cè)30°開(kāi)始到右側(cè)30°結(jié)束，具體測(cè)點(diǎn)布置與探測(cè)方向如圖1、圖2所示。

如圖1所示，42105工作面掘進(jìn)巷道235 m迎頭共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)圖2所示的三個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)：D1、D3與巷道的傾角均為20°;D2平行于巷道傾向;三個(gè)方向共完成觀(guān)測(cè)物理點(diǎn)42個(gè)，對(duì)迎頭頂板、前方、底板的巖層電性變化情況進(jìn)行充分勘測(cè)。

2.2 資料解釋

瞬變電磁法的資料解釋步驟是首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，根據(jù)晚期場(chǎng)或全期場(chǎng)公式計(jì)算視電阻率曲線(xiàn);然后進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換處理，得到各測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖;最后根據(jù)探測(cè)區(qū)的地球物理特征、TEM響應(yīng)的時(shí)間及空間分布特征，結(jié)合礦井地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋?zhuān)瑒澐值貙痈凰畢^(qū)分布范圍。此外，井下的許多金屬設(shè)施如工字鋼支護(hù)、錨桿支護(hù)等在礦井瞬變電磁法探測(cè)中能產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng)，因此，系統(tǒng)研究井下瞬變電磁超前探測(cè)中各種噪聲的瞬變電磁響應(yīng)特征，對(duì)礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集、資料處理和解釋工作具有實(shí)際意義[10]。

42105工作面掘進(jìn)巷道235 m迎頭各方向視電阻率等值線(xiàn)斷面圖如圖3所示。該圖以巷道迎頭中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿探測(cè)方向的探測(cè)深度在垂直巷道走向上的分量為橫坐標(biāo)（單位：m），在平行巷道走向上的分量為縱坐標(biāo)（單位：m）。

通過(guò)對(duì)各個(gè)探測(cè)方向視電阻率等值線(xiàn)斷面圖的分析，可圈定5個(gè)相對(duì)低阻異常區(qū)，通過(guò)異常區(qū)所在掃描線(xiàn)的區(qū)間及與迎頭間的距離可初步確定其位置。5個(gè)低阻異常區(qū)所在方位如表1所示。各異常區(qū)的視電阻率值相對(duì)圍巖視電阻率變化較小，在分布范圍上，異常區(qū)三及異常區(qū)五分布范圍較大，其余分布范圍較小。

綜合本次物探成果分析來(lái)看，幾處低阻異常區(qū)視電阻率相對(duì)周?chē)鷩鷰r視電阻率的差值為10～20 Ω·m，兩者視電阻率變化均較小，推測(cè)其為強(qiáng)富水區(qū)的可能性較低。實(shí)際探測(cè)時(shí)，迎頭處鐵器等干擾物已清理干凈，故推測(cè)異?？赡転椴煽障锏澜饘俑蓴_或采空巷道少量積水引起，在掘進(jìn)過(guò)程中，礦方要予以注意。

3 結(jié)論

水體異常區(qū)探測(cè)在礦井掘進(jìn)的過(guò)程中至關(guān)重要，通過(guò)合理的探測(cè)手段勘查水體異常區(qū)可在保障安全生產(chǎn)的同時(shí)提高生產(chǎn)效益。在井下探水工作中，礦井瞬變電磁法應(yīng)用效果良好。本文分析了陜西青崗坪42105工作面掘進(jìn)巷道235 m迎頭采用礦井瞬變電磁法的探水結(jié)果，其在迎頭頂板、底板及迎頭方向共劃分了5個(gè)含水異常區(qū)，造成異常的原因可能是巷道金屬干擾或采空巷道少量積水。因此，在后續(xù)開(kāi)采的過(guò)程中，要采取有效措施防止事故的發(fā)生。

電法勘探屬體積勘探，具有體積效應(yīng)，探測(cè)設(shè)備的參數(shù)選擇應(yīng)注意因地制宜，才能達(dá)到效果最大化，此外，在資料采集的過(guò)程中使用礦井瞬變電磁法時(shí)應(yīng)盡量避免金屬設(shè)備的干擾。由于影響地質(zhì)推測(cè)成果的因素較多，存在不確定性，因此礦方要根據(jù)掘進(jìn)及鉆探情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并做出調(diào)整，保證該成果能有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉天佑.地球物理勘探概論[M].北京：地質(zhì)出版社，2007.

[2]孫二峰，郭峰偉.瞬變電磁法在煤礦井下探水中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011（9）：200.

[3]劉樹(shù)才，劉鑫明，姜志海，等.煤層底板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律的電法探測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（2）：348-356.

[4]嚴(yán)軍，梁標(biāo)，韓學(xué)長(zhǎng)，等.瞬變電磁法在騰升煤礦探放水中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（25）：86.

[5]楊澤宇，周志浩，何俊杰.電法勘探在城區(qū)地面塌陷調(diào)查中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（25）：181-182.

[6]于景邨，劉志新，劉樹(shù)才，等.深部采場(chǎng)突水構(gòu)造礦井瞬變電磁法探查理論及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（8）：818-821.

[7]劉志新，于景村，郭棟.礦井瞬變電磁法在水文鉆孔探測(cè)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2006（1）：59-61.

[8]滿(mǎn)在山，王檔良，曾廣東.礦井瞬變電磁法在新驛煤礦探水中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（4）：106-109.

[9]薛國(guó)強(qiáng)，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007（4）：177-182.

[10]程久龍，李飛，彭蘇萍，等.礦井巷道地球物理方法超前探測(cè)研究進(jìn)展與展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014（8）：1742-1750.