瞬变电磁法在煤矿掘进工作面水害分析预测中的应用

王东升，吴 强，杨百顺

(1.四川省安全科学技术研究院，四川 成都 610045；2.四川省安科技术咨询有限公司，四川 成都 610045)

近年来，煤矿重特大水害事故呈多发易发态势，给煤矿企业和矿工的生命财产造成了巨大的损失。如2010年3月28日，山西王家岭煤矿掘进工作面发生特大突水事故，造成38人死亡[1]；2011年5月29日，贵州省富宏煤矿掘进工作面发生重大透水事故，造成12人死亡；2012年5月2日，黑龙江省峻源二矿掘进工作面发生重大透水事故，造成13人死亡。煤矿采掘活动中，未严格执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，一旦遇到积水区、富水区，极易造成重特大水害事故，因此做好掘进工作面超前水害分析预测工作十分必要。

煤矿掘进工作面水害超前探测方法多种多样，其中直流电法、音频电透视、瞬变电磁法应用最为广泛，对岩层的富水性的反应较为敏感[2-4]。每种探测方法各有优缺点，其中瞬变电磁法凭借其成本低、效率高、对含水体响应灵敏等优点[5]，成为煤矿采掘工作面水害预测预报的首选方法。

本文首先介绍瞬变电磁法的工作原理和特点，对井下瞬变电磁法探测的影响因素进行分析，然后以某矿掘进工作面为工程背景，通过对掘进工作面顺层、顶板、底板方向的超前探测，分析研判掘进工作面水害水情，针对低阻异常区进行钻探验证，为煤矿掘进工作面水害防治提供技术指导，保证掘进工作面安全施工。

1 井下瞬变电磁法原理及特点

1.1 井下瞬变电磁法工作原理

井下瞬变电磁法是利用不接地回线向探测地层发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈观测二次涡流场的方法[6-7]。其工作方法是在井下掘进工作面设置发射线圈，首先通以一定波形电流，从而在巷道周围空间产生一次磁场，并在围岩中产生感应电流，然后进行断电，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程分为早期、中期、晚期，早期电磁场衰减快，趋肤深度小，晚期电磁场衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后不同时间段的二次场随时间的变化规律，即可得到不同深度岩层的地电特征[8]。

1.2 井下瞬变电磁法的特点

与地面瞬变电磁法探测不同，由于受煤矿巷道断面影响，井下瞬变电磁法采用小规模的多匝回线装置，能有效降低体积效应的影响，进一步提高勘探分辨率，特别是横向分辨率。井下瞬变电磁法的测量装置距离低阻异常区更近，与地面同样装置及参数设置相比信号更强，大大提高了测量信号的信噪比。井下瞬变电磁法测量时，既可以直立于巷道内进行超前探测，也可以倾斜于巷道顶底板测量一定深度内含水性异常体的垂向和横向发育规律。

2 井下瞬变电磁探测影响因素

根据井下瞬变电磁法的工作原理可知，井下现场采集数据时测量信号的信噪比的高低决定了探测结果的好坏。掘进工作面积水、金属设备设施、电磁干扰是信噪比高低的主要影响因素[9-10]。掘进工作面积水主要有施工水、顶板淋水等，瞬变电磁探测作业区域积水将导致数据成果图中出现假的低阻异常区，影响探测结果真实性；掘进工作面金属设备设施主要有金属网、锚杆、锚索、单体支柱、综掘机、装岩机、胶带架、钢轨等，其中一些金属设备设施由于数量少、体积小，对探测结果影响不大，但综掘机、装岩机、胶带架等大型设备设施则会对探测结果产生较大影响，需要向碛头后方移动15 m以上；掘进工作面为综掘机、胶带输送机、装载机等供电的动力电缆产生的电磁干扰对探测结果影响大，探测时需要对除监控电缆以外的电缆进行断电处理。

3 工程背景

某煤矿批准开采二叠系上统宣威组的细花炭煤层和大汉炭煤层，宣威组厚约113 m，可分为一段和二段，其中，大汉炭煤层位于宣威组二段顶部，煤厚0.80～1.30 m，顶板以炭岩、砂质泥岩为主，底板以砂质泥岩、粘土岩为主；细花炭煤层位于宣威组一段底部，煤厚0.50～1.20 m，顶板以粘土岩、砂质泥岩为主，底板为黄铁矿粘土岩，与下伏茅口组灰岩呈假整合接触，地层综合柱状如图1所示。二采区排水巷掘进工作面位于细花炭煤层底板15 m左右的二叠系下统茅口组灰岩中，掘进工作面顶底板均为坚硬的深灰色、黑灰色的石灰岩，一般情况下巷道围岩完整性好。巷道断面为4 m×4 m，临时支护采用单体支柱支护，永久支护采用喷浆支护，全断面一次性钻爆施工，耙斗式装岩机装岩，U型矿车运输。

图1 岩层综合柱状图

茅口组灰岩为富水性强的岩溶含水层，岩溶发育，地下水以管道径流为其主要特征。根据以往井下揭露地质资料分析掘进施工过程中可能揭露小型构造和断层破碎带，现场掘进施工至里程160 m时，巷道左帮揭穿岩溶裂隙水体，涌水量约165 m3/h，造成掘进设备被淹，给掘进施工带来严重影响。为有效防范水害事故，经研究决定选用井下瞬变电磁法进行水害超前预测分析，结合钻探验证，采取科学措施消除隐患。

4 工程应用

4.1 探测施工方案

根据超前探测目的，选用YCS256矿用本安型瞬变电磁仪，沿二采区排水巷掘进工作面布置3条探测线，每条探测线设置11个物理点，共计33个物理点。第1条测线沿巷道顶板斜向上设置(45°)，第2条测线沿巷道顺层方向设置(0°)，第三条测线沿底板斜向下设置(-45°)，1号～5号、7号～11号物理点探测方向之间夹角为15°，6号物理点探测方向与碛头方向一致，施工布置图如图2所示。

图2 井下瞬变电磁法超前探测施工布置图

为减小各种客观因素对探测结果的影响，探测前将耙斗装岩机、单体支柱等设备设施后撤20 m，对电气设备设施进行断电处理。

4.2 探测结果分析

通过对采集数据的预处理—格式转换—滤波处理—降噪处理—晚期视电阻率计算—时深转换—结果图，得到顶板、顺层、底板方向的视电阻率等值线图，如图3所示。

由图3可知，二采区排水巷掘进工作面顶板方向(45°)共发现两处低阻异常区，R1和R7，R7推测为由于裂隙发育造成的岩体潮湿，R1推测为裂隙发育形成的良好的富水区域和导水通道；排水巷掘进工作面顺层方向(0°)共发现两处低阻异常区，R2和R3，推测为裂隙发育形成的良好的富水区域和导水通道；排水巷掘进工作面底板方向(-45°)共发现三处低阻异常区，R4、R5和R6，R4和R5推测为裂隙发育形成的良好的富水区域和导水通道，R6推测为由于裂隙发育造成的岩体潮湿。

图3 二采区排水巷掘进工作面超前探测视电阻率成果图

4.3 钻探效果验证

按照井下探放水“三专两探”工作要求，煤矿防治水专业技术人员组织编制了《二采区排水巷掘进工作面探放水设计》，采用专用探放水钻机对R1～R7等7处低阻异常区进行了钻探效果验证，R1～R7低阻异常区对应钻孔涌水量如表1所示。

表1 R1～R7低阻异常区对应钻孔涌水量

钻探验证结果显示，二采区排水巷掘进工作面前方顶底板及顺层方向均存在不同程度的岩溶裂隙水，瞬变电磁法超前探测分析预测结果与钻探验证效果基本一致，矿井提前采取调整二采区排水巷掘进方向的措施，绕开了岩溶裂隙水发育区，实现了安全掘进。

5 结 语

瞬变电磁法在掘进工作面水害超前探测中可以发挥成本低、效率高等优势，通过超前探测视电阻率的研判分析，初步圈定富水低阻异常区位置，再通过钻探验证精准掌握掘进工作面前方水害特征，两者相互印证，提高了预测分析的准确性，为掘进工作面水害防治提供了技术支撑，可有效避免掘进过程中水害事故发生。