盛泰煤业15202顺槽瞬变电磁探测富水性应用

（山西晋能集团盛泰煤业有限公司，山西 晋城 048400）

1 工程概况

山西煤炭运销集团盛泰煤业15202运输顺槽位于井田二采区中部，东部225 m与15201工作面相邻，西部20 m为后庄沟、迪阳村、石堂会村保安煤柱，南部为矿井边界保护煤柱，北部25 m为西翼胶带大巷、57 m为西翼轨道大巷。巷道沿15号煤层底板掘进，设计长度2624m，断面为矩形，巷道设计净宽5m，巷高4m，支护方式采用锚网索联合支护。

15#煤层顶板为K2灰岩，K2灰岩为煤层的直接顶岩层，厚度为6.23～11.35m，在部分地段岩溶裂隙较发育，富水性较强，为本工作面的直接充水水源；K3灰岩距15#煤层顶板19.19m，该层厚度约3.62m，岩溶裂隙发育，富水性强；K4灰岩距15#煤层33.19m，该层厚度为3.79m，岩溶裂隙发育，富水性较强，工作面上覆存在着3#煤层采空区，采空区内含有大量积水，3#煤层与15#煤层间的平均间距为110 m。根据矿井地质资料可知，运输顺槽开口125m的位置处发育一个陷落柱，但该陷落柱的发育高度地质资料中并无数据，为防止其导通顶板岩溶裂隙水，巷道掘进通过时出现突水事故，充分保障巷道掘进期间的安全，采用瞬变电磁进行超前探测含水性。

2 瞬变电磁探测技术

在煤矿井下巷道掘进作业施工过程中，由于巷道前方煤岩体可能会与地质构造作用、采空区或封闭钻孔等存在富水区域的空间导通，为保障巷道掘进期间的安全，采用瞬变电磁超前探测技术进行巷道掘进头前方富水情况的探测，以了解前方的富水特性[1-2]。

瞬变电磁法的基本原理是通过接地线圈向工作面内发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场的间断时间接地线圈和电极会分别探测形成二次涡流场，以此有效区分探测区域的不同电阻率，并能够根据探测得出的数据，采用扇形成图方法，在实际平面位置处绘制不同深度测点的电阻率数值，绘制得出探测区域的电阻率等值线图[3]。瞬变电磁法运用双“烟圈”理论，涡流场的极大值出现在发射圈前方的探测面处，且其随着时间的推移涡流场处会出现类似于烟圈一样程度的移动减弱。再基于磁感应的强度进一步计算探测方向上不同介质的电阻性情况，根据电阻性不同区域具体圈定富水区的空间位置及大小。

图1 瞬变电磁法原理

3 探测方案及结果分析

3.1 探测方案

（1）探测装置及参数

在15202运输顺槽掘进100 m后，采用瞬变电磁技术进行掘进工作面超前探测作业，探测仪器采用YCS200A矿用本安型瞬变电磁仪器装备系统，探测装置采用边长为1.5m的发射和接收正方形重叠线圈，发射线圈的匝数为4匝，接收线圈的匝数为40匝，装置送供电电流和脉宽分别为50A和10 ms，在测试作业时为确保测试的准确性，针对测点至少进行30次的叠加[5-6]。

（2）超前探测工作方法

在运用瞬变电磁探测技术进行巷道掘进头前方煤岩体富水性的探测作业时，由于巷道掘进迎头的空间有限，故测试作业时，需采用多匝小回线的发射装置和接收装置。该类装置的边长在2～3 m。巷道掘进迎头的测点从巷道左帮开始布置，发射和接收天线的的法线垂直于巷道左侧面，再将天线进行旋转，分别与巷道成60°、45°和30°夹角进行探测；随后再在主掘进迎头的断面上布置3个测点左右，巷道右侧面的探测方式基本与左侧面对称。该种探测技术称为扇形测深技术，通过该技术能够形成4条超前探测的剖面（顶板30°、15°、0°、底板30°），具体工作方法见图2。

图2 瞬变电磁超前探测工作

3.2 结果分析

根据瞬变电磁所得数据，通过数据的归一化处理，得出在不同时间区段的电阻率数值，进一步能够转化成为测量线的电阻率剖面图，采用扇形成图法得出不同探测剖面的视电阻率剖面，见图3。

分析图3（a）可知，在运输巷掘进迎头前方顶板30°斜上方的视电阻断面扇形图中，在测线正前方0～30m、左帮40～100m的范围、角度在左帮的0°～30°的范围内存在着低阻异常区域；另外在测线正前方20～70m、右帮30～80m、角度在右帮的30°～60°之间存在着低于异常区域。结合15202运输顺槽的地质条件可知，导致该区域出现低阻异常的主要原因为顶板的灰岩裂隙水。

分析图3（b）可知，在运输巷掘进迎头前方顶板15°斜上方的视电阻断面扇形图中，在测线正前方0～30m、左帮40～90m的范围、角度在左帮的0°～30°的范围内存在着较小区域的低阻异常现象；在测线正前方30～50m、左帮30～50m、角度在左帮的45°之间同样存在着小范围的低阻异常区域，该区域出现低阻异常的原因同样最可能为顶板的灰岩裂隙水。在测线的正前方20～50m、右帮30～70m，角度在右帮的30°～60°范围内，存在着低阻异常区域。

分析图3（c）可知，在运输巷掘进迎头前方的视电阻断面扇形图中，在测线正前方0～40m、左帮50～90m的范围、角度在左帮的0°～45°的范围内存在着低阻异常区域；另外在测线正前方30～70m、右帮0～30m、角度在右帮的60°～90°之间存在着低阻异常区域，测线正前方10～40m、右帮30～70m、角度在右帮的0°～40°之间存在着低阻异常区域。

分析图3（d）可知，在运输巷掘进迎头前方30°斜向下的视电阻断面扇形图中，在测线正前方0～40m、左帮30～80m的范围、角度在左帮的0°～45°的范围内存在着低阻异常区域；另外在测线正前方30～60m、右帮0～30m、角度在右帮的60°～90°之间存在着低阻异常区域。

综合上述分析可知，在15202运输顺槽掘进头前方存在一定的富水可能性，且在掘进迎头30 m位置处，视电阻率的低阻异常现象较为显著，故该处存在着富水区域可能性极大。

3.3 防治水措施

根据瞬变电磁的探测结果，针对掘进头前方30m的低阻异常区域，采用钻孔探测进行验证。根据验证得到的结果可知，巷道掘进头前方30 m区域确实存在着含水区域；根据探测钻孔探测结可知，该区域的水压为2MPa，陷落柱的发育高度为40m，验证了瞬变电磁探测结果的正确性，并在巷道掘进通过陷落柱区域前，采用注浆封堵技术进行堵水，最终运输顺槽顺利掘进通过该陷落柱富水区域。

4 结语

根据15202运输顺槽的地质条件知巷道开口125m的位置处可能发育一个陷落柱，导通了顶板岩溶裂隙水，通过具体分析瞬变电磁探测技术的原理，在巷道掘进100 m后，采用瞬变电磁探测技术进行超前探测作业。根据探测结果可知，掘进工作面前方30 m表现为低阻异常，富水可能性较大，并通过探测钻孔验证的方式，验证了探测结果，为巷道掘进通过该富水区域提供了保障。