超前瞬变电磁探测技术研究及工程应用

闫圆维

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602）

1 直流电法与瞬变电磁法比较

在斜沟煤矿11 采区南翼18106 工作面应用最多的是水文物探法，该方法可以查清煤矿掘进过程中顶板水和断层水带来的水害，找到前方隐伏导水通道和地层含水性[1]，主要包括直流电法与瞬变电磁法，具体分析比较如表1 所示。

如图1 所示，假设地壳介质呈现均匀介质状态，正电极O 形成的电场形态应该为球形。不同的M 和N两点形成的电位差将地壳介质导电性信息表达出来。

图1 直流电法原理图

在脉冲发射间歇期，观测响应场的变化情况，找出二次场的大小。

2 地质概况

为了适应复杂地形条件，建设了足够长的巷道XD1用于物流的运输，巷道XD1通过走向178°、倾向268°、倾角68°、落差1.2 m 的断层，进入夹煤层。该断层带岩层构造复杂、地质疏松、容易变形，而且靠近含水层，不断横生构造层。同时，新巷道XD2作为巷道XD1胶带巷道的主干道起着重要的作用，呈现圆弧形状，交通流量大。针对这个情况，提前钻探和直流电法并不适合[2]。

3 超前瞬变电磁探测

3.1 超前瞬变电磁探测基本原理

在掘进过程中，迎头空间变得狭小，巷道中的大线圈装置往往难以布置于其中[3]。因此，要结合具体的施工条件选择相应的超前探测装置，具体超前探测布置如图2 所示。

图2 超前探测布置示意图

依据相关原理，在超前瞬变电磁探测过程中，发射线圈匝数与发射功率成反比；发射磁矩与线圈匝数成正比。为了便于计算，发射线圈匝数增幅调整不宜过大，这样可以将复杂的非线性正比关系，近似为线性，便于求解。也就是说，面对具有差异化的施工环境，工程人员应结合具体探测目的，采用适合的物探仪器，并设置适合的参数，最终得到理想的探测结果[4]。

如图3 所示，在工作面探测过程中，一方面要确定发射点和接收点位置，探测过程从迎头左帮开始，操作时发射和接收线圈轴线要与巷道的中轴线偏离一定角度；另一方面要按方案设计的探测角进行旋转探测。需要注意的是，施工中两线圈轴线要平行，两线圈平面要垂直水平面。依据实际要求，设计适当的仰俯角进行测量，才能采集到更多更全面的数据。通过对采集到的数据进行分析处理，就可以对迎头前方的含水体等低阻异常带进行预判，为巷道掘进提供超前地质预报。

图3 工作面内探测示意图

3.2 超前瞬变电磁探测的探测仪器选择

在本文案例中，瞬变电磁法所用仪器选用的是国内某自主品牌。为了便于比较结果，发射传递装置和接收处理装置为同一个仪器。在多层线数的设计中，采用2 m×2 m 矩形回线。同时，为了采样便捷，应用64 次叠加法，按时间先后顺序，依次实施采样工作。

3.3 测点布置与施工方法

为了保证测量工作的快速有效进行，通过设立两点观测，设立依据是新巷道XD2和巷道XD1胶带巷的不同距离设立，然后将掘进面依照不同角度划分为三部分，再开始“扇形”的扫描工作，由此将掘进面从左到右分成左前方、中前方、右前方，此外还要对新巷道再次进行划分，分布于左右不同距离的两点地段，找出30 个相关的观测点，对于胶带巷则要在某一距离上找出14 个观测点，每个观测点找出相对应的另外3 个点。

3.4 超前瞬变电磁探测观测结果分析

根据不同岩层具有不同含水性的特征，对二维电阻率剖面图进行分析。通过瞬变电磁法在矿井下可建立电磁场，由于该测量法所需工具较多，受影响的因素也随之增加，这些因素包括有回线的大小尺寸、轨道距离的长短、瞄杆的高低、管道的深入长度以及电缆铺设情况等，因此要对井下的超前瞬变电磁声音进行总结和整理，并从中找出规律。

斜沟煤矿工作面胶带顺槽迎头正前方4.13～21.27 m 处存在低阻区，面积较大，根据钻孔资料判断为泥岩和砂泥岩地层，具有富水性，但含水性弱。建议对本次物探超前探测范围内的迎头正前方11.04 m 处出现的低阻区进行钻孔验证。在此工作面胶带顺槽位置继续掘进5 m 后，在巷道掘进头正前方布置1 个钻孔进行超前探水，验证本次探测的低阻异常区。

4 安全技术措施分析

4.1 “先探后掘”的安全措施

为保障轨道下山以及胶带下山延伸施工的安全。在施工时必须要严格执行“敲帮问顶”制度，确保巷道周围暴露出来但还未加以管理的岩石是否出现松动、断裂和离层等问题。通过点柱的加固安全，防止在施工时发生冒顶事故，要求在施工过程中必须要在安全区域内进行，严禁空顶作业施工，特别是顶板突出加固支护，防止水仓因掘进的影响而发生漏水。

4.2 “短掘短支”的安全措施

在巷道施工过程中，一般采用“短掘短支”方式，必须要保障在安全位置。一般四人为一组，其中三人负责架棚，一人负责观察顶板的情况，一旦发现异常情况的发生，必须立即通知其余三人撤离，等到故障排除并确认安全后，方可继续进入作业。

4.3 “一炮三检”的安全措施

严格按照相关的法律法规，坚持按照“一炮三检，三人联锁”的放炮制度。在放炮前，对瓦斯情况进行认真检查，当检测瓦斯浓度（体积分数）超过0.5%时，严禁放炮。在放炮时，应设置警戒区域，警戒距离必须大于等于100 m。

5 结语

通过实践证明，瞬变电磁探测技术对巷道施工位置有较强的适应性，面对复杂的地质构造，通过挖掘+15 m 胶带巷道并灵活运用直流电法和瞬变电磁法开展物探工作，得到了较好成效，加强了防水工程的防治措施，同时也为防水技术提供更多的参考价值。