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YCS200(A)瞬变电磁仪超前探测 在鑫岩煤矿的应用

东义公司    郝立彬

 

摘  要  为了发现巷道掘进过程中可能出现的富水区域，采用矿井瞬变电磁法对井下掘进工作面进行超前探测，对工作面前方富水性进行分析，为探放水工作提供可靠的依据。

关键词  超前探测 应用

 

1 引  言

采掘巷道（前方、顶板、底板）的采空区、陷落柱是不可忽视的灾害性地质异常体，它们破坏了煤层的连续性，容易引发透水、瓦斯事故，给煤矿的安全生产带来威胁，因此，探明巷道（前方、顶板、底板）的采空区、含水构造的分布是煤矿安全工作重点。

矿井瞬变电磁法是煤矿井下巷道内探查周围空间不同位置、不同形态含水构造的矿井物探方法之一。该技术是一种时间域的电磁探测方法。形成扇形图，其横坐标为以巷道中心为零点向两侧延伸至巷道的实际宽度，纵坐标为基于巷道迎头的实际探测距离，测量不同深度的测点的视电阻率值分布在实际平面位置，根据电阻率等值线图绘制扇形图，能够清晰直观地表现出异常区域的位置，从而使矿井瞬变电磁法超前探测资料解释更加精确。

 

2 地质概况

 

鑫岩煤矿井田主要含水层为奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层组、石炭系太原组碎屑岩夹灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系山西组、石盒子组、石千峰组砂岩裂隙含水层组和第三、第四系砂砾石层孔隙含水层。分布于各含水层之间的泥岩、砂质泥岩、粘土岩、铁铝岩等为隔水层。井田内山西组可采煤层的直接充水含水层主要为山西组和石盒子组砂岩；太原组可采煤层的直接充水含水层为太原组L1～L5灰岩，间接充水含水层为奥陶系灰岩。5煤层水文地质勘查类型为Ⅱ类Ⅰ～Ⅱ型，即以裂隙充水、顶板淋水为主的水文地质条件简单至中等的矿床，10煤层井田水文地质勘查类型属Ⅲ类Ⅰ型（标高600m以上）和Ⅱ型（标高600m以下），即以岩溶裂隙充水为主的水文地质条件简单和中等的矿床。

区域内构造简单，总体为走向北西-南东，倾向南西的单斜构造，未发现有断层、陷落柱及岩浆岩等构造，井田构造属简单类型。

山西组2、3、4、5号煤层，其直接充水因素是顶板砂岩裂隙含水层。根据ZK302水文孔抽水试验结果，山西组以上含水层，钻孔单位涌水量为0.0074L/s�m，渗透系数为0.023m/d，属弱富水含水层。

太原组主采煤层为6、8-1、8-2、10号煤层,其直接充水含水层为太原组灰岩裂隙含水层。根据ZK302水文孔资料，其主要含水层为灰岩和中粗粒砂岩，含水层共5层，总厚度39.9m，钻孔单位涌水量为0.00012L/s�m，属弱富水含水层。

北一盘区为鑫岩煤矿首采盘区，分为北一上盘区、北一下盘区两个盘区，其中北一上盘区回采煤层为5号煤层；北一下盘区开采煤层为10号煤层，该盘区位于井田东北部，为一规则的多边形，盘区南北走向长0.9km，东西倾斜宽0.7km，面积0.63km²。

根据可采区、缓采区、禁采区三区划分报告，本井田东北部边界地段5、10号煤层底板位于奥灰水等水位线之上，不带压，属正常开采区域。

 

3 探测地点、探测条件及工作布置与技术措施

 

3.1探测地点、探测条件

井下所有掘进工作面都严格执行“物探先行、钻探验证”的探放水原则，本次以北一下盘区1001回顺为探测分析地点，该工作面位于井田东北侧边缘，东侧与井田边界相邻，与井田边界平行北向施工，井田保护煤柱留设20m。井田边界东部为山西悦达军山煤业有限公司，该矿井涌水量120～180m³/d，该矿井为低瓦斯矿井，目前已经关停，其图纸资料不详。

3.2工作布置与技术措施

3.2.1工作布置

测点布置在巷道迎头空间位置，即从巷道迎头左侧开始，首先使发射、接收天线的法线垂直巷道左侧面进行测量，然后按一定角度旋转天线，使天线的法线方向与巷道的左侧分别成180�、30�、45�、60�的夹角进行探测，当天线的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置3个测点，到巷道迎头右侧时再旋转天线，使法线方向与巷道右侧分别成60�、45�、30�和0�的夹角进行探测，即在多个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空间信息。

共布置测线3条，分别沿顶板30�、顺层0�和底板30�三个方向（图1）探测，每条测线11个物理点（图2），共计33个物理点。

图1  探测物理点线框方向布置图

图2  每条沿线11个物理点图

3.2.2技术措施

本次物探使用的仪器型号为YCS200（A）矿用瞬变电磁仪，矿井瞬变电磁法超前探测采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数16匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为50A，供电脉宽10ms，采样率16�S。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

3.2.3现场探测条件

（1）掘进巷道顶板及两帮为金属钢筋网锚杆支护。

（2）探测时已协调掘进队将掘进机后退5m，并断电。

（3）现场清理金属工具如：锚杆机、凿岩机、锚杆等金属工具，放置5m以外。

（4）探测时掘进工作面迎面后方5m范围为作业区域，需清理平整。

（5）掘进工作面无积水。

3.2.4仪器系统影响因素

     YCS200（A）矿用瞬变电磁仪探测盲区范围在5～10m之间，盲区范围内存在异常，也能探测，只是异常区域滞后，使用过程中应考虑探测盲区因素影响。

4 验证结果

 

4.1验证地点及验证条件

YCS200(A)瞬变电磁仪超前探测法首次在鑫岩煤矿使用，为保证超前探测结果的可靠性，除钻探进行验证外，选择对已经探明水位线、水头高度的N1008采空区积水区进行超前探测验证。

N1008工作面估算积水量为13.8万m³,施工N1009运输顺槽、切眼、回风顺槽掘进期间已经对采空区积水进行探放，目前该采空区积水估算6万m³，水头高度为8m，本次物探验证在N1009切眼距离N1008采空区70m位置进行超前探测。

4.2资料处理与解释

 

图3 N1009切眼顺层探测成果图

 

N1009切眼掘进工作面迎面顺层视电阻率探测扇形图如图3所示。资料解释：在前进右帮水平方向10～80m、前进方向80～110m，属于低阻异常区。

根据探测结果显示，工作面右前方68 m的位置存在明显低阻异常区，与N1008采空区位置基本上吻合。

 

5 实际应用

5.1北一下盘区1001回顺探测资料处理与解释

北一下盘区1001回顺掘进工作面迎面顶板30�向上视电阻率探测资料解释结果为：该条测线右帮30～70m、前方20～90m，可能存在低阻异常区域，不排除为军山煤业有限公司煤矿采空区的可能。

北一下盘区1001回顺掘进工作面迎面顺层视电阻率探测扇形图如图4所示,资料解释：异常区域一、异常区域二在前进右帮水平方向30～80m、前进方向0～70m，属于低阻异常区，可能出现滴（淋）水现象，不排除为军山煤业有限公司煤矿采空区的可能。

图4 顺层0�探测成果图

北一下盘区1001回顺掘进工作面迎面底板30�向下视电阻率探测资料解释结果为：前进右帮水平方向30～90m、前进方向0～60m，属于低阻异常区，可能出现涌水现象，不排除为军山煤业有限公司煤矿采空区的可能。

 

5.2应用效果

利用瞬变电磁超前探测技术有效地探测了掘进工作面顶、底板前方的含水构造形态、水力联系，取得了一定的效果，为钻探设计提供了依据，由于巷道掘进工作面实际情况，存在一定的干扰，因此数据处理结果在视电阻率绝对值会有一定偏差，解释的低阻异常区范围容易偏大。

 

6 结论与建议

 

6.1结论

1）北一下盘区1001回顺顶板方向视电阻率探测扇形剖面，根据物探综合探测方向来看，该条测线右帮30～70m、前进方向20～90m，可能存在低阻异常区域，不排除采空区的可能（军山煤业有限公司煤矿采空区）。

2）北一下盘区1001回顺顺层方向视电阻率探测扇形剖面，根据物探综合探测方向来看，异常区域一、异常区域二在前进右帮水平方向30～80m、前进方向0～70m方向，属于低阻异常区，可能出现滴（淋）水现象。

3）北一下盘区1001回顺底板方向视电阻率探测扇形剖面，根据物探综合探测方向来看，前进右帮水平方向30～90m、前进方向0～60m，属于低阻异常区，可能出现涌水现象，不排除采空区的可能。

6.2建议

异常区的划分是相对的，而且划分的主要依据是视电阻率值的高低，根据鑫岩煤矿煤岩层电性特征，引起电阻率变化的因素是多样的，因此物探结论存在多解性，物探结果为钻探提供参考资料，建议对前方区域进一步钻探验证，避免水害事故发生。

作者简介：郝立彬（1972-），男，工程师。2011年毕业于辽宁工程技术大学采矿专业，现任东义公司地测防治水技术科科长。联系电话：15035359116。