瞬变电磁法在工作面防治水中的应用

2021-09-23高丁丁

陕西煤炭 2021年5期

高丁丁

(陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西彬州 713500)

0 引言

矿井水害是严重威胁矿井生产的重要灾害之一，如何对矿井水害进行超前管理、超前预判，确保工作面安全、高效生产就显的尤为重要[1-3]。大佛煤矿40111工作面上覆为41106工作面采空区，根据“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的防治水原则，采用物探先行，钻探验证的思路，查明矿井水文地质情况[4-6]。目前，矿井对掘进工作面的水体赋存情况主要以钻探为主，它能直观反映所探查区域的水文地质信息，但是钻探施工周期较长，具有一定的盲目性。瞬变电磁技术对巷道围岩的探测具有不可比拟的效果，对施工位置具有较强的适应性，纵横向分辨率高，探测方向性强，且具有施工方便、快捷、效率高等优点[7-9]，能够对掘进工作面前方顺层探测，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为水文地质预测预报和水害防治提供技术手段和依据。

1 工程背景

1.1 矿井概况

大佛寺矿井位于咸阳市彬州市、长武县境内，处于彬长矿区南部，大佛寺井田东西平均长16 km，南北平均宽6.5 km，面积71.293 1 km2，主采煤层为4号煤层，平均厚10.36 m；局部开采4上煤，平均厚约2.72 m，彬长矿区区域上地处华北板块鄂尔多斯盆地南缘的彬县—黄陵拗陷带，北与庆阳单斜接壤，南与渭北断隆带的铜川凸起相接，大佛寺井田位于彬长矿区南部路家小灵台背斜与彬县背斜之间，总体表现为走向近EW，倾向近N的波状单斜构造，在单斜构造背景上叠加了一系列NEE向与NNW向的宽缓褶皱构造并伴有小型断裂构造，褶皱以NEE向为主，自北而南包含安化向斜、祁家背斜、师家店向斜，地层产状的变化与褶曲构造有关，煤层倾角一般为3°～5°，仅在井田北部安化向斜南翼与祁家背斜北翼之间倾角较大，为17°～21°。断裂以落差小于5 m的正断层为主。地层产状、构造类型、构造形态均说明本区侏罗系以上地层未经受强烈的构造挤压和变形，构造以中等为主。

1.2 工作面概况

大佛寺煤矿40111工作面为401采区西翼第4个工作面，采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面走向长度为1 860 m，倾向长度为220 m，面积为409 200 m2，40111工作面东部为4号煤大巷保护煤柱，西部4上煤为41201工作面采空区，4号煤为未采区。距采区边界18 m，北侧为40109工作面采空区，隔水煤柱留设宽度48 m，南侧为西部大巷保护煤柱，上覆为41106工作面采空区，回顺(上巷)内错13.1 m，运顺(下巷)外扩42.5 m，40111工作面采掘平面图如图1所示。

图1 40111工作面采掘平面Fig.1 Mining plan of 40111 working face

1.3 含水层概况

40111工作面局部含水裂隙发育，工作面北侧为40109采空区，上覆为41106采空区，且砂岩层内含水具有局部不确定性。因此，巷道掘进主要可能存在的充水水源为40109相邻采空区积水、41106上覆采空区积水、4号煤～4上煤段含水砂岩层的富水。巷道掘进过程中，受地质构造、裂隙带、钻孔、岩层层位及采空区积水等影响，将给巷道安全施工造成一定的影响。因此为保障巷道安全掘进，需对巷道前方岩层富水性做进一步的探查，采用物探手段来探查掘进巷道迎头前方富水性情况。根据勘探资料，工作面内主要含水层由上到下依次为白垩系下统洛河组砂岩孔隙-裂隙承压含水岩组、白垩系下统宜君组裂隙承压含水层、侏罗系中统安定直罗组裂隙承压含水岩组、侏罗系中统延安组裂隙承压含水岩组，见表1。

表1 含水层特征汇总

1.4 地质概况

根据煤层底板等高线变化趋势以及40109工作面掘进期间揭露情况分析，工作面内煤层沿EW走向方向的起伏变化较为明显，在工作面中部区域发育有一处近SN走向的向斜构造，其振幅在18～47 m。该向斜西翼煤层倾角约2°～9°，东翼煤层倾角约1°～8°。此外，根据地质精查报告以及401采区三维地震勘探资料情况分析，工作面西南角有1处DF09正断层，该断层走向NW，呈弧形延度，断层倾向SW，倾角70°～75°，落差0～5 m左右，井田内延伸长度约350 m，断层经2次精细化解释均一致，且延伸至4号煤，较为可靠。但41106及41201工作面在掘进和回采过程中均未揭露，故40111工作面掘进过程中遇该断层的可能性较小。

2 工程实践

2.1 工作原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法[9-12]。

地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应完全来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面巷道周围岩体，由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线巷道周围岩体各点，因此，最初激发的感应电流局限于巷道周围岩体。巷道周围岩体各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道周围感应电流最强。随着时间的推移，巷道周围的感应电流便逐渐向外扩散，其强度也逐渐减弱，分布也趋于均匀。任一时刻巷道周围产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间推移，该电流环向外扩散，并逐渐变形为圆形电流环。等效电流环像是从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”，如图2所示。

图2 瞬变电磁场的烟卷效应示意Fig.2 Smoke ring effect of transient electromagnetic field

2.2 数据采集

探测仪器采用福州华虹智能科技开发有限公司生产的YCS512矿用本安型探水仪。发射线框为1.5 m×1.5 m，接收线框0.8 m×0.8 m、发射频率6.25 Hz、叠加次数32、发射模式内置发射，装置类型为中心回线，延迟时间0 μm，发射回线10匝，接收回线20匝，YCS512矿用本安型探水仪的组成如图3所示。

图3 YCS512矿用本安型探水仪的组成Fig.3 Composition of YCS512 mine intrinsically safe water detector

本次探测位置为40111工作面回风顺槽掘进正头，40111工作面回风顺槽采用“锚网索”联合支护，巷道为矩形断面。在探查前将工作面迎头的支护工器具等铁器清理干净，综掘机退至工作面正头向后10 m位置。发射及接收线圈在巷道内呈扇形布置，对巷道顶板、顺层及底板进行扫描探测，及时对巷道顶板、前方、两帮及底板等方向可能存在的水患或导水构造进行控制。根据40111工作面的空间位置关系，结合YCS512矿用本安型瞬变电磁仪在井下使用的实际情况，在现场布置设计的5个探测方向，分别是斜上30°、斜上15°、顺层0°、斜下30°方向以及纵剖面，形成对巷道迎头左前、右前及正前方的探测，从而得出在全空间范围内含水异常的低阻空间，具体如图4～6所示。

图4 横向测线布置示意Fig.4 Transverse measuring line layout

图5 横向测线单个测点布置示意Fig.5 Layout of single measuring point of transverse measuring line

图6 纵向剖面测线布置示意Fig.6 Measuring line layout of longitudinal section

2.3 数据资料处理

40111工作面的现场数据采集完成后，对数据进行处理分析，结合水文地质资料，对比分析不同探测方向视电阻率分布特征，综合5个方向的剖面图，如图7所示，以及水文地质资料进行分析。可以得出，40111工作面回顺(开口向里910 m处)迎头前方100 m探测范围内斜上30°方向在横轴55～65 m、纵轴0～5 m范围内存在低阻异常；40111工作面回顺(开口向里910 m处)迎头前方100 m探测范围内斜向上15°方向在横轴50～65 m、纵轴0～10 m范围内存在低阻异常；40111工作面回顺(开口向里910 m处)迎头前方100 m探测范围内顺层方向在横轴50～65 m、纵轴0～20 m范围内存在低阻异常；40111工作面回顺(开口向里910 m处)迎头前方100 m探测范围内斜向下30°方向在横轴50～100 m、纵轴0～40 m范围内存在低阻异常；40111工作面回顺(开口向里910 m处)迎头前方100 m探测范围纵剖面方向范围内无明显低阻异常。通过后期40111工作面回顺5号钻场施工的探放水孔验证，探测结果与实际水文地质情况完全相符。