瞬变电磁技术在金辛达煤业防治水工作中的应用

2018-07-30高刚刚

陕西煤炭 2018年3期

高刚刚

(山西煤炭运销集团金辛达煤业有限公司，山西临汾 041000)

0 引言

矿井瞬变电磁法是利用电磁感应定律，根据瞬变电磁对低阻体的感应敏捷特点。利用人工发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，并在地下导电岩体中产生感应电流，从而实现矿井水文构造的探测。根据山西省各煤矿的防治水工作的严格要求，金幸达煤矿根据”物探先行、钻探验证、化探跟进”综合探测验证制度，选用瞬变电磁技术探测，使矿井钻探工作有针对性和可靠性，为矿井解决了防治水工作难题。

1 瞬变电磁法物探

1.1 探测内容

对煤矿来说，瞬变电磁法探测主要用于：①施工掘进巷道前方富水性探测；②工作面煤层顶板水害探测；③工作面煤层底板水害探测；④工作面断层、陷落柱、老空区等富水性探测；⑤废弃不良钻孔富水性检测。

1.2 物探技术要求

图1 瞬变电磁法探测方向示意图

掘进工作面瞬变电磁法探测：设计矿井瞬变电磁法超前探测方向7个，如图1所示，分别是6个横向探测方向(与巷道顶板呈15°、30°、45°夹角向前方顶板探测、顺层方向向前方探测、与巷道底板呈15°、30°、45°夹角向前方底板探测)和1个纵向探测方向。每个横向探测方向布置横向探测角度13个，如图2(a)，分别是左侧帮(180°、165°、150°、135°、120°、105°)、正前方(90°)、右侧帮(0°、15°、30°、45°、60°、75°)，6个横向探测方向共布置78个探测角度；纵向探测方向布置13个探测角度如图2(b)，分别是顶板(90°、75°、60°、45°、30°、15°)、正前方(0°)、底板(-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、-90°)，7个探测方向共计91个测点数据。探测时可根据矿井实际地质与水文地质情况及探测目的，对探测方向进行适当调整(增加或减少探测方向)。

a-横向探测；b-纵向探测图2 瞬变电磁法探测角度示意图

回采工作面探测：矿井瞬变电磁法探测测线可布置在工作面轨道顺槽、皮带顺槽内或其它巷道内，测点间距一般为5～20 m。探测巷道顶板和底板电阻率分布时，可以把线圈水平放置巷道内。若发射线框和接收线框倾斜放置于巷道，则探测巷道侧上方顶板或侧下方底板一定范围的电阻率分布，图3为工作面瞬变电磁法探测布置示意图，探测时可根据矿井实际地质与水文地质情况及探测目的，对探测方向进行适当调整(增加或减少探测方向)。

图3 工作面物探测线方向示意

1.3 瞬变电磁探测法优缺点

优点：直接识别地下煤层含水情况特别直观，探测方向性明确，操作简单3人就可以操作，不需要复杂的理论推演，探测时间短，不受地形影响，一个掘进面探测工作开始到结束，用时35 min。

缺点：抗干扰能力弱、有探测盲区，探测距离短。

1.4 现场探测抗干扰措施

为了减少现场探测干扰，应注意：①瞬变电磁距离综掘机等大型铁器至少5 m以上；②线圈距离锚网至少1 m以上；③线圈距离刮板输送机至少0.5 m以上；④切断施工区域100 m范围之内高压线等强电力干扰源；⑤清理施工区域淤泥、积水、浮煤、浮矸等。

2 现场物探

2.1 设备选用

金辛达煤矿采用TEMHZ 75型瞬变电磁仪及其探测软件进行井下数据采集分析。

2.2 现场探测环境(表1)

表1 现场探测环境描述

根据本次探测地点现场环境观测，干扰源主要有：甲烷传感器、掘进机、铁质杂物及底板工程积水等，会干扰本次瞬变电磁采集的数据。

2.3 探测点布置

本次探测，采用扇形布置方法，从巷道左侧开始，巷道纵向布置3个方向顶板20°方向、顺层方向、底板20°方向，每个方向按12°间隔旋转线圈，如图4所示共布置11个测点。

a-平面图；b-剖面图图4 平面探测测点布置

2.4 现场探测工作量统计

本次探测自2017年4月25日结束现场探测工作，现场工作共计1 d，现场探测工作量见表2。

表2 瞬变电磁现场探测工作量统计

3 数据处理及分析

3.1 瞬变电磁法处理技术

该流程为：新建工程—测线拆分组合—道参设置—晚期视电阻率计算—surfer软件处理—Voxler三维处理—数据形态分布分析，按人机界面操作。

3.2 测点-电压曲线图及晚期电阻率设置

根据仪器性能参数及瞬变电磁探测行业经验，综合考虑，将视电阻率约束到80 Ωm，先按默认值成图，再将成图的视电阻率最大值与80 Ωm相比，再用默认值(10 000)除以该系数得到视电阻率系16 500；将深度约束到100 m，先按默认值(50)成图，将成图的最大测深与100 m相比，再用默认值(50)除以这个系数就得到深度系数59。

3.3 数据分析与解释

瞬变电磁解释原则：电阻率值从高到低排序为致密灰岩、煤层、砂岩、粘土岩类。根据该理论可分析出巷道前方低阻分布情况，结合已有的地质资料，预测含水地质体的位置及规模，以便矿方有针对性地设计探放水方案，保障煤矿的安全生产。

探测解释：根据探测成果中的低阻异常区域的大小及电阻率值等级分布对掘进巷道安全影响由大到小，主要形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级分类，其中，Ⅰ级为富水性特强区域，一般定义为受老空水或溶洞影响，必须对异常区进行钻探验证，以探明异常区域是否积水及积水范围；Ⅱ级为富水性较强区域，一般定义为煤层或砂岩含水层局部富水性强或者存在较强导水通道的区域，必须对异常区进行钻探验证；Ⅲ级为富水性较弱区域，一般定义为受砂岩含水层或导水断层影响区域(也可定义为受采区巷道支护、电缆等其他影响)，可按照正常探放水设计进行钻探验证。

顶板20°方向探测成果：在此方向发现1处低阻异常区，异常区YC1位于探测位置正前方，距离迎头70 m以远。据资料分析可知，K4、K3、K2石灰岩为11#煤层直接充水含水层，厚度变化大，裂隙溶隙较发育，分析低阻异常区可能受灰岩含水层局部富水性较强或断层裂隙相对富水影响。根据低阻异常评价等级分类，划定为Ⅱ类异常区，如图5所示。

图5 顶板20°方向探测成果

顺层方向探测成果：顺层方向未发现低阻异常区，如图6所示。

底板20°方向探测成果：底板20°方向未发现低阻异常区，如图7所示。

图6 顺层方向探测成果

图7 底板20°方向探测成果

3.4 钻探验证

物探发现顶板20°方向1处低阻异常区，异常区YC1位于探测位置正前方，距离迎头70 m以远。根据资料分析可知，K4、K3、K2石灰岩为11#煤层直接充水含水层。针对本异常区金辛达煤矿组织探水队进行打钻验证，总共设计3个探眼进行验证，钻孔内均有水流出，水量1.3 m3/min。经化验比对，为本矿K4、K3、K2石灰岩含水层的水。