瞬變電磁法在掘進(jìn)工作面超前探測(cè)中的應(yīng)用

 引言
影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一就是水害，必須對(duì)其加強(qiáng)治理和防范。了解掘進(jìn)工作面前方一定范圍內(nèi)巖層的賦存、導(dǎo)水性以及分布情況不僅能夠有效的避免水害事故的發(fā)生，更為巷道的安全掘進(jìn)和預(yù)防水害事故發(fā)生起到了關(guān)鍵的作用。
我國(guó)煤礦井下巷道超前探測(cè)主要包括地質(zhì)雷達(dá)、直流電法以及瑞雷波等物探技術(shù)。使用瑞雷波、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以探測(cè)巷道的前方和側(cè)方，但是測(cè)量距離近并且適應(yīng)性較差，一般僅能探測(cè)10多米，并且無(wú)法判別是否異常含水；對(duì)于電法超前探測(cè)技術(shù)主要用于探測(cè)掘進(jìn)頭正前方隱伏構(gòu)造，雖然此法具有簡(jiǎn)便實(shí)用、測(cè)距大、對(duì)水敏感以及異常探出率高等優(yōu)點(diǎn)，但是還具有控制范圍小、僅能預(yù)測(cè)巷道掘進(jìn)頭正前方有無(wú)含水構(gòu)造，并且探測(cè)工作量大以及對(duì)高產(chǎn)高效礦井掘進(jìn)效率影響較大等缺點(diǎn)[1]。瞬變電磁法具有定向性好、探距大、分辨率高以及對(duì)水敏感性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，尤其探測(cè)側(cè)方和側(cè)下方含水結(jié)構(gòu)效果良好，是探測(cè)礦井井下含水構(gòu)造的有效方法[2]。因此，利用瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確高效的探測(cè)出掘進(jìn)工作面前方的賦水狀態(tài)，能夠?yàn)榈V井的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
1 瞬變電磁法簡(jiǎn)介
瞬間電磁法又稱時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，利用線圈或接地電極在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[3]，即電磁感應(yīng)定律是瞬變電磁法的基本原理。
1.1 基本原理 礦井瞬變電磁法一般采用兩個(gè)線圈，即一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收，探測(cè)方向就是發(fā)射線圈平面的法線方向。探測(cè)時(shí)，架設(shè)線圈使其法線方向?qū)?zhǔn)巷道中所要探測(cè)的目標(biāo)體，在發(fā)射線圈中通以階躍電流而后瞬間關(guān)斷。通電期間大地中便建立了一次磁場(chǎng)，斷電后在巷道圍巖中激發(fā)了以發(fā)射線圈法線方向?yàn)橹行牡臏u旋感應(yīng)電流場(chǎng)。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時(shí)間推移，該電流環(huán)向前、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”，因此，將渦旋電流沿發(fā)射線圈法線方向向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”（如圖1所示）。根據(jù)接收到瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)巷道前方巖層的電性變化，達(dá)到超前探測(cè)的目的。
1.2 方法技術(shù) 礦井瞬變電磁法受到巷道空間的限制，一般采用邊長(zhǎng)2-3m的小回線裝置形式，為了滿足探測(cè)深度的要求，可以通過(guò)增加線圈匝道的方法加大發(fā)射磁矩和有效接受面積從而增大信噪比。由于線圈的法線方向可看作探測(cè)方向，由于采用了小回線裝置形式使其探測(cè)方向性更強(qiáng)。在井下施工的過(guò)程中根據(jù)探測(cè)任務(wù)要求，為了獲取巷道掘進(jìn)頭前方不同水平層位上的電信息，可以通過(guò)調(diào)整線圈與巷道底板之間的角度以改變法線指向。如圖2-a所示，當(dāng)以仰視角度架設(shè)線圈時(shí)，探測(cè)方向指向頂板即頂板探測(cè)，可以超前探測(cè)頂板一定深度范圍內(nèi)含水異常體的分布規(guī)律；如圖2-b，當(dāng)線圈直立于巷道時(shí)即順層探測(cè)，可以超前探測(cè)掘進(jìn)頭正前方含水體的發(fā)育位置；如圖2-c所示，當(dāng)以俯視角度架設(shè)線圈時(shí)，探測(cè)方向指向底板即底板探測(cè)，可以超前探測(cè)底板一定深度范圍內(nèi)含水異常體的分布規(guī)律[4]。測(cè)點(diǎn)布置于巷道兩幫與掘進(jìn)頭處，為了獲得完整的前方空間信息，依次探測(cè)左幫、掘進(jìn)頭左前方、掘進(jìn)頭正前方、掘進(jìn)頭右前方以及右?guī)停缓筇幚聿杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率的轉(zhuǎn)換、時(shí)深轉(zhuǎn)換并繪制視電阻率等值線剖面圖，最后結(jié)合已有的地質(zhì)資料解釋異常情況。
2 工程應(yīng)用實(shí)例
本文以貴州省晴隆縣永榮煤礦為例，探測(cè)14101回風(fēng)巷前方積水及總回風(fēng)巷老空積水情況，探測(cè)掘進(jìn)頭順層及頂板的低阻體異常及分布范圍，研究瞬變電磁法在巷道掘進(jìn)工作面超前探水中的應(yīng)用。
2.1 探測(cè)方法 本次礦井瞬變電磁法勘探試驗(yàn)沿14101回風(fēng)巷超前探測(cè)布置測(cè)線2條，通過(guò)在掘進(jìn)頭移動(dòng)發(fā)射接收線圈，形成2條超前探測(cè)的實(shí)測(cè)剖面；沿總回風(fēng)巷左側(cè)幫，布置測(cè)線一條，通過(guò)在掘進(jìn)頭移動(dòng)發(fā)射接收線圈，形成1條超前探測(cè)的實(shí)測(cè)剖面。如圖3所示。
礦井瞬變電磁法勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，邊長(zhǎng)1.5m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)4匝，接收線圈匝數(shù)40匝。供電電流檔為50A，供電脈寬10ms，采樣率16us。每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。
本次礦井瞬變電磁法勘探試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，嚴(yán)格按照《瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》、《電阻率測(cè)深法技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，并通過(guò)多次疊加提高信噪比等方法，確保了本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，從而保證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
2.2 探測(cè)結(jié)果及分析
2.2.1 14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭超前探測(cè)結(jié)果及分析
（1）14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭等視電阻率扇形剖面圖40°斜向上。
圖5為14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭前方40°斜向上等視電阻率探測(cè)扇形剖面圖，圖中黑色區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)，共獲得低阻異常區(qū)3處，為1#-3#低阻異常區(qū)。分析如下：
①1#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭40°斜向上方向左側(cè)幫與硐軸線50°-90°夾角方向之間，相對(duì)距離約80～140米處；
②2#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭40°斜向上方向左側(cè)幫與硐軸線25°-30°夾角方向之間，相對(duì)距離約125～140米處；
③3#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭40°斜向上方向左側(cè)幫與硐軸線50°-90°夾角方向之間，相對(duì)距離約60～140米處。
（2）14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭等視電阻率扇形剖面圖順層方向。
圖6為14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭前方順層方向等視電阻率探測(cè)扇形剖面圖，圖中黑色區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)，共獲得低阻異常區(qū)1處，為1#低阻異常區(qū)。分析如下：
1#低阻異常區(qū)位于掘進(jìn)頭順層方向左側(cè)幫與硐軸線0°-25°夾角方向之間，相對(duì)距離約80～140米處。
2.2.2 總回風(fēng)巷左側(cè)幫超前探測(cè)結(jié)果及分析
圖7為總回風(fēng)巷左側(cè)幫斜向上20°等視電阻率剖面圖，黑色區(qū)域?yàn)榈妥璁惓^(qū)，探測(cè)巷道距離為50米，探測(cè)深度150米，探測(cè)異常分析如下：1#異常區(qū)位于巷道左側(cè)幫斜向上20°方向10-50m之間相對(duì)距離約40-150m處。
2.2.3 結(jié)果驗(yàn)證
結(jié)合瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，礦方采取了相應(yīng)的探放水措施在14101回風(fēng)巷掘進(jìn)頭前方90米處遇到了積水，與瞬變電磁探測(cè)結(jié)果基本吻合。
3 結(jié)語(yǔ)
瞬變電磁法在探測(cè)和辨別煤礦水文以及富水性強(qiáng)弱方面取得了很好的應(yīng)用效果。通過(guò)超前探測(cè)巷道掘進(jìn)頭前方地質(zhì)構(gòu)造的異常情況以及利用扇形成圖技術(shù)能夠準(zhǔn)確的確定地質(zhì)異常體距迎頭的實(shí)際距離；探測(cè)煤層工作面頂?shù)装鍟r(shí)得到工作面頂、底板方向視電阻率斷面后，并結(jié)合礦井瞬變電磁法在該礦區(qū)以往的水文探測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，能夠判斷出工作面頂、底板方向異常區(qū)所屬的巖層性質(zhì)，并評(píng)價(jià)異常區(qū)的富水性強(qiáng)弱。