2105顺槽掘进工作面瞬变电磁探测技术应用

黄冰冰

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

1 工程概况

潞安集团黑龙煤业2105工作面开采9#+10#+11#煤层。煤层赋存于石炭系太原组地层下段，上部9#煤与10#+11#煤之间有一层夹矸较厚平均为1.6 m，10#与11#煤层合并；9#煤平均厚度0.8 m，10#+11#煤平均厚度4.8 m，煤层上方无直接顶，基本顶岩层为石灰岩，均厚13.7 m。2105工作面顶板主要充水因素为K2、K3、K4灰岩裂隙水和上覆2#煤层采空区积水，其中K2灰岩、K3灰岩及K4灰岩与煤层的间距分别为42 m、55 m和68 m。根据钻孔201资料显示，9#煤层顶板距2#煤层底板间距86.6 m，而采后导水裂缝带发育高度达到90～112 m，结合物探资料分析，2105工作面主要水害威胁来自顶板垮落后，采空区上方裂隙导通2#煤层采空区积水和K2、K3、K4灰岩裂隙水。根据邻近工作面回采生产数据显示，2105工作面进风巷巷道掘进前方60 m存在一处X23陷落柱，陷落柱的范围及富水性未知，现拟采用瞬变电磁探测技术进行陷落柱区域富水性的探测分析。

2 陷落柱瞬变电磁响应特征

石灰岩在水的冲蚀作用下会逐渐形成空洞区域，空洞区域在覆岩自重影响下会逐渐塌陷，进而形成岩溶陷落柱。陷落柱形态一般为椭圆形和圆柱形，陷落柱内部充填物的成分较为混乱，充填物整体较为松散，陷落柱一般具有较强的导水性。陷落柱内部充填物一般表现为高阻特性，陷落柱边缘界限3～5 m范围内的岩体一般裂隙发育亦呈现出高阻特性[1-3]。

现根据2105工作面的地质条件，建立掘进工作面含水陷落柱的地电模型。模型将陷落柱设置在掘进工作面迎头区域，设置模型半径为20 m，设置柱体轴线与迎头间的距离为60 m，设置煤层厚度为7.2 m，煤层电阻率为800 Ω·m。根据2105工作面的地质条件进行各岩层参数的赋值，模型中设置顶板石灰岩电阻率200 Ω·m，底板细砂岩电阻率为400 Ω·m。巷道截面大小为6 m×6 m，具体陷落柱与掘进迎头间的平面如图1所示。模型中巷道共计布置21个测点，间距为10 m，发射和回线装置大小为2 m×2 m[4-5]。

图1 掘进工作面侧帮含水陷落柱平面

为掌握含水陷落柱发育的具体情况，在进行含水陷落柱探测时，分别从顺煤层方向和沿煤层顶板方向进行探测，超前探测方式如图2所示。探测模拟分析时，从巷道左帮每间隔15°布置一个测点，巷道右帮探测从迎头90°开始，每间隔15°布置一个测点进行探测作业[6-7]。

图2 掘进工作面超前探测

根据正演数值模拟结果得出扇形视电阻率的等值线断面如图3所示。

图3 掘进工作面含水陷落柱视电阻率等值线拟断面

图3中横坐标中负值代表巷道左侧帮岩体与巷中的距离，正值代表右侧帮岩体距巷中的距离，纵坐标代表巷道掘进方向。图中煤层顶板方向的探测结果能够看出巷道迎头区域电阻率呈现为圆形分布，且随着距离掘进迎头距离的减小，电阻率的半径在逐渐减小；图中能够看出巷道迎头顶板前方低阻异常区（电阻率小于140 Ω·m）主要位于迎头前方50～80 m的范围内。分析顺煤层方向的视电阻率等值线断面图能够看出，随着距离掘进迎头距离的增大，电阻率半径逐渐增大，且电阻率等值线基本呈现为以迎头为圆心的圆形分布；顺煤层方向视电阻率低阻异常区（电阻率小于160 Ω·m）位于迎头前方50～75 m的范围内。根据矿井地质资料，该低阻异常区域的位置与含水陷落柱的位置基本吻合，据此可知陷落柱（定名X23）发育在煤层顶板区域，含水陷落柱发育形状近似为椭圆形，低阻异常区域在巷道两帮的方向上的延伸范围较大。

3 瞬变电磁探测工程实践

2015工作面运输顺槽掘进工作面前方发育有X23陷落柱。为准确掌握陷落柱发育形态及含水特性，采用瞬变电磁法进行巷道前方富水情况的探测。通过在巷道迎头布置扇形测点的方式对巷道迎头前方全断面范围内煤岩体的富水情况进行探测分析，测点布置如图4（a）所示。为全面掌握巷道迎头前方陷落柱发育深度和发育范围，探测作业时，在工作面三个方向，即迎头前方顶板、煤层和底板三个方向进行探测，探测方向及线圈布置如图4（b）所示。

图4 巷道掘进迎头测点布置及探测方向

根据巷道迎头的探测结果，得出迎头前方顶板方向、顺煤层方向和底板方向的视电阻率等值线图，如图5所示。图中横坐标和纵坐标分别为垂直巷道轴向方向和平行巷道轴线方向的距离，其中横坐标正负值分别表示巷道左帮和右帮；纵坐标为巷道掘进方向，坐标原点为巷道迎头中心点。

图5 掘进工作面瞬变电磁探测视电阻率等值线

分析图5可知，图5（a）顶板方向视电阻等值线图方面，在巷道迎头前方50 m范围内，电阻率数值均小于6 Ω·m，基于该数据，该区域内的岩层稳定较差，岩层内的整体富水性弱；在巷道迎头前方左帮大于50 m的位置，视电阻率数值小于6 Ω·m，该区域为相对低阻异常区。根据上述分析，在巷道迎头前方左帮区域内岩层的富水性较强。图5（b）在顺层方向视电阻等值线图方面，巷道迎头前方左帮大于45 m的范围内，其视电阻率小于6 Ω·m，为低阻异常区域，表明迎头前方左帮为岩层富水性较强区域。图5（c）底板方向视电阻率等值线分布方面，在迎头前方左帮大于40 m的范围内，视电阻率等值线数值小于6 Ω·m，为相对低阻异常区域，表明该区域内裂隙和构造较为发育，据此可知迎头前方左侧帮整体的岩层富水性较强。

综合上述分析结果，巷道迎头在三个方向的探测结果均显示迎头左帮具有较强的低阻异常响应，综合瞬变电磁响应特征，异常体贯通煤层顶板和底板，其异常体与深部岩层间有较强的水力联系；巷道前方50 m为含水陷落柱区域，含水陷落柱具有较强的富水性，巷道掘进时需采取有效的疏放措施，确保安全后方可掘进。

巷道掘进期间，在迎头布置疏放水钻孔，具体验证钻孔及放水数据如表1所示。根据钻探验证结果，巷道迎头前方50 m处为含水陷落柱，经有效疏放后，巷道顺利掘进通过含水陷落柱区域。瞬变电磁探测技术为巷道安全掘进通过陷落柱区域提供了有效保障。

表1 验证钻孔及放水钻孔数据

4 结语

根据2015工作面顶底板岩层地质水文特征，通过数值模拟分析陷落柱瞬变电磁响应特征，得出巷道迎头前方含水陷落柱位置出现低阻异常响应。根据巷道迎头瞬变电磁的探测结果，巷道前方50 m为含水陷落柱区域，陷落柱左帮富水性较强，经现场工程钻孔验证，与瞬变电磁探测结果一致。上述探测方法为巷道安全顺利掘进通过陷落柱区域提供了技术保障。