两种煤矿井下地质探测技术的对比分析

2018-08-20沈福斌王施智周子鹏

陕西煤炭 2018年4期

沈福斌，王施智，周子鹏，古瑶，耿清

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西西安 710005)

0 引言

目前矿井水害探测技术采用最多、最常规、最成熟的方法为矿井瞬变电磁法和井下三极直流电法，两种勘探方法防治水效果均较明显，然而由于不同矿井地质条件、施工环境存在差异，其防治效果也存在明显的差异，因此根据矿井的实际情况及两种方法本身的特点，选择合适的工作方法至关重要。

1 工作原理及装置

1.1 瞬变电磁法

矿井瞬变电磁勘探属于全空间效应的勘探方法，采用重叠回线装置。它利用不接地回线在井下巷道内设置通有一定电流的发射线圈，并在其周围空间产生稳定的一次电磁场。当电流突然断开时，由该电流产生的磁场也立即消失，为维持电流断开之前存在的磁场，岩层中被激发出感应电流。发射电流断开的瞬间，最初激发的感应电流集中于巷道附近岩层中，随着时间的推移，巷道周围的感应电流逐渐向外扩散，其强度逐渐减弱。在断开发射电流的任一时刻，感应电流在巷道内产生的磁场，可以等效为一个水平环状的电流磁场，这些等效电流环像从发射回线“吹”出来的一系列烟圈，因此将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”，如图1所示。

图1 “烟圈效应”示意图

1.2 直流电法

井下直流电法属全空间电法勘探，采用三极装置，其工作原理如图2所示。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，处理和解释有关矿井水文地质问题。测深法是研究深度方向地层电性变化规律，从而获得深度方向地层各种地质信息的一种物探方法。它是在同一点逐次增大供电电极距，使勘探深度由小逐渐变大，于是可以观测到测点处沿深度方向由浅到深地层的变化特征。

图2 三极测深工作原理示意图

2 探测数据采集

2.1 瞬变电磁法

采用不接地回线进行发射，2 m×2 m正方形回线，发射回线40匝，接收回线60匝，叠加次数为64次，发射电流4 A，盲区约20 m。工作面顶板探测时，按照与巷道顶板方向不同夹角进行探测，以改变线框水平夹角实现对巷道顶板砂岩水的探测，线框与顶板平行(即探测方向与顶板夹角呈90°)和线框与顶板夹角呈45°(即探测方向与顶板夹角呈45°)(如图3(A)、(B)所示)，点距一般为10 m最合适；

图3 顶板探测(左)及超前探测(右)示意图

巷道进行超前探测时，按照与迎头正前方不同夹角进行扇面扫描(图3(右))，布置15个扫描方位，左帮5个(左90°～左30°)，迎头正前方5个(左15°～右15°)，右帮5个(右30°～右90°)，形成对迎头左前方、正前方、右前方的探测。

2.2 直流电法

图4 顶板探测(左)及超前探测(右)示意图

进行顶板砂岩水探测时，需提前在巷道顶板打电极孔，并塞入炮泥，其探测方向只有一个，即垂直顶板向上探测(图4(上))，供电极距OA采用算术极距，极间距为10 m，最小OA选为25 m，最大发射电流100 mA。接收极距MN/2采用固定形式，为5 m和15 m，两接口处取视电阻率平均值；进行超前探测时，采用三点交汇法(图4(下))，即距迎头14 m处开始布设3个发射及接收电极，发射及接收距均为4 m，一次性布极，最大发射电流100 mA，无盲区。

3 综合应用案例

3.1 顶板水探测

瞬变电磁勘探解释成果：图5各含水层中，在路家小灵台背斜附近，异常零星分布，规模较小；距切眼1 100～1 400 m附近、在距切眼750～1 000 m(F20、F21断层)附近及距切眼400～650 m(F23、F24断层)附近，各层位均存在不同规模的富水异常区。其中距切眼750～1 000 m及400～650 m附近，异常规模较大。

直流电法勘探解释成果：图6各含水层中，在路家小灵台背斜附近、距切眼1 100～1 400 m附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，各层位均存在不同规模的富水异常区。其中在路家小灵台背斜附近、距切眼750～1 000 m附近及距切眼400～650 m附近，异常明显，且规模较大，距切眼1 100～14 00 m附近，异常规模较小。

图5 瞬变电磁解释成果图

图6 直流电法解释成果图

与水文地质资料的对比：根据现场调查资料，在路家小灵台背斜附近，顶板存在少量的渗水现象，在带式输送机巷内距切眼1 200 m附近，顶板存在淋水现象，在F20、F21断层附近两巷道顶板淋水较大，且在带式输送机巷内顶板存在冒顶现象，在F23、F24断层附近巷道顶板淋水现象，且在带式输送机巷内顶板存在冒顶现象。由此可见，瞬变电磁勘探解释成果与已知水文地质资料相符，而直流电法勘探解释成果与已知水文地质资料存在一定偏差。

3.2 掘进前方采空区探测

瞬变电磁解释成果：图7可以看出，顺层方向共圈定5块高阻异常区，分别编号为异常区1、异常区2、……异常区5。异常区1位于回风探巷掘进迎头正前方左侧30°至右侧60°顺层方向18～20 m处，近似带状，解释为老窑巷道的电性反映，与掘进揭露已知巷道位置吻合；异常区2位于回风探巷右侧45°方向45 m处，为椭圆状，为小煤窑老空区的电性反映，与打钻揭露的采空区位置对应；异常区3位于回风探巷左侧75°～90°方向70～100 m处，解释疑似采空区；异常区4位于回风探巷右侧60°～75°之间50～80 m处，该异常为疑似采空区；异常区5位于巷道右侧15°方向，呈椭圆状，受钻孔空洞引起的高阻。从瞬变电磁超前探底板45°和顶板45°视电阻率等值线扇面图中高阻异常为顺层方向采空区体积效应的影响。图中低阻区为锚网和探测钻孔钢管影响所致。

直流电法超前探测解释成果：从图8可以看出，直流电法在横向上视电阻率呈高低阻交替变化，在掘进迎头处视电阻率较高，在实际勘探过程中，迎头处较为干燥，两者相符；在18～21 m处视电阻率值较高，这与已知打钻发现的老巷位置对应较好；在31～33 m、42～46 m、55～57 m和80～86 m处视电阻率都比较高，根据直流电法超前探测原理，直流电法超前探测的是球状体，故根据断面图可以看出异常的位置，但无法准备定位异常的延展方向，结合瞬变资料，推断这2处高阻异常应为巷道东南方向的采空区反映。