潞宁煤业31101工作面富水区瞬变电磁法探测技术

尚小平

(潞安集团 潞宁煤业公司，山西 宁武 036700)

1 工程概况

潞宁煤业31101工作面为3号煤层的首采工作面， 3号煤层厚度在1～1.8 m，均厚1.4 m，平均倾角为13°，一般含一层夹矸层，工作面采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，煤层直接底为泥岩，均厚2 m，基本底为粉砂岩，均厚6 m；直接顶为泥岩，均厚3.3 m，基本顶为砂岩，均厚7.5 m。

31101工作面位于2号煤下部，上距2号煤层27.10～35.88 m，平均32.11 m，工作面在回采过程中由于顶板垮落，会形成导水裂隙带，该裂隙带可能导致2号煤采空区积水涌入工作面，为保证工作面回采安全，采用瞬变电磁探测技术对工作面富水区域的含水情况进行了探测。

2 瞬变电磁法探测技术

瞬变电磁技术是一种时间预的电磁探测技术，是利用脉冲磁场的传播原理，对该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的时间分布和空间分布进行观测；其测量装置由发射和接收回线构成；工作过程主要包括发射、电磁感应、接收三部分，在发射回线中存在着稳定电流，当电流切断时会在回线周围产生磁场，该磁场成为一次磁场，若该磁场在传播过程中遇到导电的地质体，便会在内部产生感应电流，该感应电流会随着时间的变化而产生新的磁场，称为二次磁场[1-2]，二次磁场的产生主要源于被探测地质体内部的感应电流，该感应电流包含着大量的地质信息，能够通过量测各个时间段二次磁场的时间变化规律得出不同深度的地点特征，进而确定出探测区域导体的分布结构及空间形态，确定出探测区域的含水量。具体原理示意如图1所示。

根据众多研究及工程实践表明[3-4]，瞬变电磁技术在均匀的全空间介质中，随着瞬变电磁作业的进行，磁场的扩散范围会逐渐增大，且发射回线中心位置处的磁场强度最大；另外根据瞬变电磁在不同时刻下Y方向感应电场等值线分布状态得出感应电场的等值线会沿着水平方向移动，且等值线的半径在逐渐增大的同时不会出现上下移动。

图1 瞬变电磁技术原理示意

3 方案设计与结果分析

3.1 方案设计

1) 使用仪器。根据31101工作面的具体地质及水文条件，确定本次探测使用仪器为矿用瞬变电磁仪YCS40，瞬变电磁仪器参数主要设置如下：发射电压7.2 V，发射频率8.3 Hz，叠加次数32，抑制系数1，测道数40，记录时窗35 ms；发射线框的边长2 m，发射匝数9，接收回线边长2 m，接收匝数18。

2) 探测范围及方式。根据31101工作面上覆含水岩层及采空区积水量的具体情况，确定对31101工作面运巷图上3106点后35.4 m至3110点前38.33 m右帮、以及3112点前9.23 m至3116点后29.94 m右帮水平方向和顶板100 m范围进行探测，如图2所示。

图2 31101工作面瞬变电磁探测区域示意

3) 施工方案。具体在探测时，分两段进行，其中一段的探测范围为运巷3106点后35.4 m和前274.6 m，另一段的探测位置与第一段相距65 m，探测的长度为240 m，每间隔5 m探测一次，并且在每个探测方位角按照探测法向倾角为：60°、45°、30°、15°、0°分别进行探测，施工方案如图3所示。

图3 施工示意

4) 完成工作量。在31101工作面运巷两段顺变电磁技术的测试区域，分别完成了60°倾角探测采集112个物理点；45°倾角探测采集112个物理点；30°倾角探测采集112个物理点，15°倾角探测采集112个物理点，0°倾角探测采集112个物理点；共采集5组560个物理点。

3.2 数据处理与结果分析

3.2.1 数据处理

通过对数据处理，得到瞬变探测视电阻率分布成果图(图4)。在图4中，坐标(0，0)点表示探测体端点位于31101工作面运巷图上3106点后35.4 m右帮处和图上3112点前9.23 m右帮处。在每幅图中，依次用红、黄、绿、蓝代表不同的视电阻率值，颜色越接近红色(图中下部)，表示视电阻率越高即岩层相对含水性越弱，反之，颜色越接近蓝色(图中上部)，表示视电阻率越低，该位置相对含水性越强。

由于瞬变电磁法探测具有低阻屏蔽的特性，真实的低阻区域可能小于图中显示的低阻范围，所以由此得出的低阻范围只能是相对值。瞬变电磁法只能探测低阻区域的最近距离，而不能确定低阻区域的最远边界，所以实际工作中只能圈定低阻范围的最近距离。

3.2.2 结果分析

1) 31101工作面运巷图上3106点后35.4 m至3 110 m前38.33 m右帮瞬变电磁法探测成果。根据该区域60°倾角下的探测结果，探测区域内无明显相对低阻异常区，45°、30°、15°及0°倾角下探测结果中均存在着相对低阻异常区，具体0～45°下探测结果如图4所示。

图4 倾角45°～0°下视电阻率分布

通过分析图4得出，在倾角45°下，其探测区域内的相对位置为4～18 m、纵坐标60～95 m处存在一相对较大的低阻区，根据现场测试初步判断可能为干扰引起； 30°倾角下，探测区域内分别在(0～40 m， 45 m以外)、(52～106 m，47 m以外)、(132～185 m，54 m以外)、(200～226 m，77 m以外)存在相对低阻异常区； 15°倾角下，探测区域内分别在相对位置(0～40 m，35 m以外)、(45～290 m，30 m以外)存在相对低阻异常区；0°倾角下，探测区域内分别在相对位置(0～17 m，25～63 m)、(54～100 m，60 m以内)、(172～218 m，50 m以内)存在相对低阻异常区。

2) 31101工作面运巷图上3112点前9.23 m至3116后29.94 m右帮瞬变电磁法分析结果。60°倾角下探测区域内无明显相对低阻异常区，在探测倾角为45°和30°时该区域的探测结果与图4的结果基本一致，现对该区域探测倾角为15°和0°时视电阻图进行具体分析，如图5所示。

图5 倾角15°和0°下视电阻率分布

通过分析图5可知，在探测15°倾角下探测区域内分别在相对位置(0～70 m，60 m以外)、(94～120 m，72 m以外)、(132～240 m， 45 m以外)存在相对低阻异常区；0°倾角下，探测区域分别在(60～68 m，25～70 m)、(92～150 m， 45 m以外)、(210～235 m， 25～95 m)存在相对低阻异常区。

根据上述分析结果，31101工作面相对低阻异常区(富水区域)的分布情况如图6所示。

图6 31101工作面异常区域的分布

4 结 语

采用瞬变电磁探测技术对潞宁煤业31101工作面上覆含水岩层及采空区积水情况进行了，根据探测结果可知，31101工作面运巷图上3106点后35.4 m至3110点前38.33 m区域，在15°方向上斜向距离30 m以远，赋水可能性较大；31101工作面运巷图上3112点前9.23 m至3116点后29.94 m探测区域15°方向至水平方向，赋水可能性较大，在工作面回采前应对这些区域进行探放水作业，以保障工作面的安全回采。