瞬变电磁法在煤矿掘进工作面水害探测中的应用

2022-06-06范育典

中国资源综合利用 2022年5期

范育典

（中国地质大学（北京），北京 100000）

神东煤田位于山西、陕西、内蒙古三省区交界处，煤田总面积达到3.12 万km，神东煤田基地也是我国13 个特大型煤炭能源基地之一。本文选择神东煤田山西组的8#煤层作为研究对象。煤田关键含水层为奥陶系地层，富水性差异较大，表明灰岩含水层裂隙岩溶发育极不均衡，该区域以奥灰含水层居多。

1 瞬变电磁法超前探测数值模拟

1.1 地电模型设计

下面从神东煤田的水文地质条件出发，结合三面电阻率曲线，确定各层的电阻率，并进行地质分层，为以后的正演仿真工作奠定基础。本研究对8#煤层地质特征进行综合分析和优化，基本确定6 层地质模型。正演仿真时选用长方形，以便更接近巷道腔体，横截面尺寸设计为4 m×4 m。正演仿真模型地层参数如表1 所示。

表1 正演仿真模型地层参数

1.2 三维数值模拟

1.2.1 巷道腔体的数值模拟

煤矿电磁探测的关键是明确巷道影响和空间场效应。与“纯”全空间瞬变电磁场相比，煤矿瞬变电磁场的分布范围与全空间场效应、巷道内非导电气体的综合作用有极大差异。因此，对巷道的影响开展具体分析，可以为数据资料的处理与诠释提供依据。巷道腔体的设计尺寸与横截面相同，围岩的设计电阻值有3 个，依次为1 Ω·m、10 Ω·m 和100 Ω·m，据此可求出模型中心处的垂直感应电压。通过比较均匀全空间模型的衰减曲线得出，巷道腔体的尺寸对瞬变电磁探测的影响较小，后期瞬变电磁探测的衰减曲线基本相同，前期仅有少许差异，表明瞬变电磁探测存在早期缺陷，纯巷道腔体的响应极其薄弱。对比以上三种不同围岩电阻对衰减反应的影响，并将三者的关系绘制于同一平面，如图1 所示。

图1 不同围岩电阻的中心点衰减曲线

一是瞬变电磁场响应曲线出现衰减特性时，一般以无巷道、巷道全空间为基础。同时，瞬变电磁感应电动势的变化与巷道空间关系密切，但其对总体衰减规律无显著影响。二是衰减响应随着电阻率的减小而增加。电阻率的减小会致使巷道对瞬变电磁场的影响加大。巷道影响的变化与取样时间相关，取样时间越长，巷道影响越小，直至完全不受影响。

1.2.2 掘进机影响的数值模拟

巷道断面尺寸设置为4 m×4 m，此处电阻率设置为1 000 Ω·m。掘进机配备回线源激发装置，而后计算掘进机刀头与掘进工作面间距的响应值。如图2 所示，鉴于掘进工作面距离的增加，掘进机对工作面的影响慢慢变弱。一是掘进机距离掘进工作面仅有5 m 时，其在纯巷道腔体的响应幅度提升了3 个量级，这与衰减曲线上的低阻异常相关。二是掘进机距离掘进工作面10 m 时，响应速率骤降，集中的时间段为4 ms 之后，相比纯巷道腔体模型，其提升了1个量级。三是当距离增大至20 m 时，工作面的瞬变电磁场探测反应微弱，与30 m 时基本一致。通过对数值仿真的分析可知，掘进机距离掘进工作面20 m以上时，其对瞬变电磁探测的影响不大。

图2 掘进机与掘进工作面间的瞬变电磁反应

2 瞬变电磁法实际探测分析

2.1 富水区探测验证

对掘进工作面前方富水区进行探测验证，预报表明，掘进工作面前方20 ～39 m 处为低阻区且集中于巷道前方靠右方位。因此，在实际钻探验证时，巷道正前方、正前偏左方、正前偏右方的位置布置钻孔。结果发现，在正前方的位置钻探至35 m 距离时有出水现象，相比其他方位，正前偏右方的位置钻孔水量很大。这一结论与“掘进机距离掘进工作面20 m 以上时，其对瞬变电磁探测的影响不大”相符。