林井祥，張繼忠，王思宇，王 闊

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(jìn)工作面中的突水事故是典型的礦井水害事故，因此堅(jiān)持預(yù)測預(yù)報(bào)、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(jìn)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(nèi)進(jìn)行超前探測，能夠清楚掌握煤礦掘進(jìn)工作面迎頭前方圍巖的富水情況及隱伏構(gòu)造情況，可以有效避免礦井水害事故發(fā)生，為煤礦安全生產(chǎn)提供有效依據(jù)[1-2]。通過實(shí)踐證明，當(dāng)前對掘進(jìn)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(zhǔn)確地反映出所探查區(qū)域的地質(zhì)體信息，但其探測范圍有限、費(fèi)時費(fèi)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(jìn)度的要求，大多采用物探方法進(jìn)行超前探測，而最有效的技術(shù)手段就是礦井瞬變電磁法，這種方法對低阻體反應(yīng)敏感，指向性強(qiáng)不受高阻層屏蔽，體積效應(yīng)小，超前探測距離較大，施工方便快捷，效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

鑒于此，筆者在分析礦井瞬變電磁法基本原理基礎(chǔ)上，結(jié)合某煤礦工程實(shí)例，應(yīng)用礦井瞬變電磁法對該煤礦平巷掘進(jìn)工作面進(jìn)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(dǎo)水通道及富水情況，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 基本原理

礦井瞬變電磁法——基于電磁感應(yīng)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(fā)送脈沖磁場(通常稱為一次場)，在一次場關(guān)斷的瞬間，由于作用在良導(dǎo)電礦體上磁通的變化，在良導(dǎo)電礦體中激勵起的感應(yīng)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(yīng)電磁場(通常稱為二次場)。由于二次場包含有良導(dǎo)電礦體形狀、大小、位置及導(dǎo)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(yīng)場)，通過對這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測目的[4]。工作原理如圖1所示。

2 工程實(shí)例

探測地點(diǎn)為某煤礦24號層0片平巷掘進(jìn)工作面，該掘進(jìn)工作面為矩形半煤巖巷道臥底掘進(jìn)，支護(hù)采用錨桿加鋼帶支護(hù)，頂板較完整，掘進(jìn)過程中有淋水現(xiàn)象。工作面測區(qū)內(nèi)有部分金屬裝置和電纜等，會對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定的影響。

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)探測需要及現(xiàn)場條件，現(xiàn)場布置3條測線，測線間距1 m，每條測線布置7個測點(diǎn)，點(diǎn)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(shè)備主要由兩部分組成：信號接收部分(包括主機(jī)和接收線圈)和信號發(fā)射部分(發(fā)射機(jī)、供電機(jī)和發(fā)射電纜)。采用發(fā)射機(jī)在后，接收機(jī)在前，同軸垂直接收數(shù)據(jù)模式。發(fā)射機(jī)調(diào)節(jié)輸出電流1.0 A，發(fā)射頻率25 Hz，發(fā)射框與接收框間距10 m；發(fā)射框尺寸1 m×1 m，接收線框?yàn)?D線框。關(guān)斷時間140 μs，數(shù)據(jù)采集采用20門。

數(shù)據(jù)采集前首先進(jìn)行儀器調(diào)試，以保障儀器正常工作。采集開始進(jìn)行重復(fù)頻率、增益、關(guān)斷時間及積分時間比較設(shè)置，選擇最佳測量參數(shù)。采集過程中對異常點(diǎn)均進(jìn)行復(fù)測，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。從一次場和觀測值dB/dT曲線圖看，本次數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場工作條件影響較小，現(xiàn)場數(shù)據(jù)較好。

2.2 數(shù)據(jù)解釋

通過運(yùn)用PROTEM-47瞬變電磁儀對探測區(qū)進(jìn)行超前探測，采用BETEM反演軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用surfer軟件成像出圖，得到探測區(qū)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(shù)等值線，不同色界代表視電阻率相對高低，數(shù)值越小，視電阻率越低，富水性相對也越強(qiáng)。從圖3中可知，沿巷道掘進(jìn)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(qū)域有一小的低阻異常出現(xiàn)；沿巷道掘進(jìn)工作面正前方水平探測的測線2剖面圖，前方50 m～60 m區(qū)域有一小的低阻異常出現(xiàn)；沿巷道掘進(jìn)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(qū)域有一低阻異常出現(xiàn)，據(jù)此推斷出巷道掘進(jìn)工作面迎頭前方50 m～60 m附近區(qū)域有一積水區(qū)。

2.3 鉆探驗(yàn)證

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

3 結(jié)語

以雞西礦區(qū)某煤礦工程實(shí)例，采用礦井瞬變電磁法探測煤礦掘進(jìn)工作面迎頭富水情況。結(jié)果表明，礦井瞬變電磁法探測解釋結(jié)果推斷出巷道掘進(jìn)工作面迎頭前方50 m～60 m附近區(qū)域有一積水區(qū)。通過鉆探驗(yàn)證，證實(shí)探測結(jié)果與鉆孔驗(yàn)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(jìn)工作面迎頭積水區(qū)的有效方法，具有十分重要的工程應(yīng)用價值。