瞬變電磁法在掘進工作面超前探測中的應(yīng)用

 引言
影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一就是水害，必須對其加強治理和防范。了解掘進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和預(yù)防水害事故發(fā)生起到了關(guān)鍵的作用。
我國煤礦井下巷道超前探測主要包括地質(zhì)雷達、直流電法以及瑞雷波等物探技術(shù)。使用瑞雷波、地質(zhì)雷達技術(shù)可以探測巷道的前方和側(cè)方，但是測量距離近并且適應(yīng)性較差，一般僅能探測10多米，并且無法判別是否異常含水；對于電法超前探測技術(shù)主要用于探測掘進頭正前方隱伏構(gòu)造，雖然此法具有簡便實用、測距大、對水敏感以及異常探出率高等優(yōu)點，但是還具有控制范圍小、僅能預(yù)測巷道掘進頭正前方有無含水構(gòu)造，并且探測工作量大以及對高產(chǎn)高效礦井掘進效率影響較大等缺點[1]。瞬變電磁法具有定向性好、探距大、分辨率高以及對水敏感性強等突出優(yōu)點，尤其探測側(cè)方和側(cè)下方含水結(jié)構(gòu)效果良好，是探測礦井井下含水構(gòu)造的有效方法[2]。因此，利用瞬變電磁法能夠準(zhǔn)確高效的探測出掘進工作面前方的賦水狀態(tài)，能夠為礦井的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
1 瞬變電磁法簡介
瞬間電磁法又稱時間域電磁法，簡稱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，利用線圈或接地電極在一次脈沖磁場的間歇期間觀測二次渦流場的方法[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線圈，即一個發(fā)射，一個接收，探測方向就是發(fā)射線圈平面的法線方向。探測時，架設(shè)線圈使其法線方向?qū)?zhǔn)巷道中所要探測的目標(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，斷電后在巷道圍巖中激發(fā)了以發(fā)射線圈法線方向為中心的渦旋感應(yīng)電流場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，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。隨著時間推移，該電流環(huán)向前、向外擴散，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散的過程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”（如圖1所示）。根據(jù)接收到瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測巷道前方巖層的電性變化，達到超前探測的目的。
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2-3m的小回線裝置形式，為了滿足探測深度的要求，可以通過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方向，由于采用了小回線裝置形式使其探測方向性更強。在井下施工的過程中根據(jù)探測任務(wù)要求，為了獲取巷道掘進頭前方不同水平層位上的電信息，可以通過調(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，探測方向指向頂板即頂板探測，可以超前探測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)線圈直立于巷道時即順層探測，可以超前探測掘進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，探測方向指向底板即底板探測，可以超前探測底板一定深度范圍內(nèi)含水異常體的分布規(guī)律[4]。測點布置于巷道兩幫與掘進頭處，為了獲得完整的前方空間信息，依次探測左幫、掘進頭左前方、掘進頭正前方、掘進頭右前方以及右?guī)停缓筇幚聿杉臄?shù)據(jù)進行視電阻率的轉(zhuǎn)換、時深轉(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)用實例
本文以貴州省晴隆縣永榮煤礦為例，探測14101回風(fēng)巷前方積水及總回風(fēng)巷老空積水情況，探測掘進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工作面超前探水中的應(yīng)用。
2.1 探測方法 本次礦井瞬變電磁法勘探試驗沿14101回風(fēng)巷超前探測布置測線2條，通過在掘進頭移動發(fā)射接收線圈，形成2條超前探測的實測剖面；沿總回風(fēng)巷左側(cè)幫，布置測線一條，通過在掘進頭移動發(fā)射接收線圈，形成1條超前探測的實測剖面。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。每個測點至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性，測點布置如圖4所示。
本次礦井瞬變電磁法勘探試驗數(shù)據(jù)采集，嚴(yán)格按照《瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》、《電阻率測深法技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行，并通過多次疊加提高信噪比等方法，確保了本次試驗的數(shù)據(jù)采集，從而保證了試驗的準(zhǔn)確性。
2.2 探測結(jié)果及分析
2.2.1 14101回風(fēng)巷掘進頭超前探測結(jié)果及分析
（1）14101回風(fēng)巷掘進頭等視電阻率扇形剖面圖40°斜向上。
圖5為14101回風(fēng)巷掘進頭前方40°斜向上等視電阻率探測扇形剖面圖，圖中黑色區(qū)域為低阻異常區(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，相對距離約80～140米處；
②2#低阻異常區(qū)位于掘進頭40°斜向上方向左側(cè)幫與硐軸線25°-30°夾角方向之間，相對距離約125～140米處；
③3#低阻異常區(qū)位于掘進頭40°斜向上方向左側(cè)幫與硐軸線50°-90°夾角方向之間，相對距離約60～140米處。
（2）14101回風(fēng)巷掘進頭等視電阻率扇形剖面圖順層方向。
圖6為14101回風(fēng)巷掘進頭前方順層方向等視電阻率探測扇形剖面圖，圖中黑色區(qū)域為低阻異常區(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)位于掘進頭順層方向左側(cè)幫與硐軸線0°-25°夾角方向之間，相對距離約80～140米處。
2.2.2 總回風(fēng)巷左側(cè)幫超前探測結(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)域為低阻異常區(qū)，探測巷道距離為50米，探測深度150米，探測異常分析如下：1#異常區(qū)位于巷道左側(cè)幫斜向上20°方向10-50m之間相對距離約40-150m處。
2.2.3 結(jié)果驗證
結(jié)合瞬變電磁探測結(jié)果，礦方采取了相應(yīng)的探放水措施在14101回風(fēng)巷掘進頭前方90米處遇到了積水，與瞬變電磁探測結(jié)果基本吻合。
3 結(jié)語
瞬變電磁法在探測和辨別煤礦水文以及富水性強弱方面取得了很好的應(yīng)用效果。通過超前探測巷道掘進頭前方地質(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)異常體距迎頭的實際距離；探測煤層工作面頂?shù)装鍟r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)，并評價異常區(qū)的富水性強弱。