综合电法勘探在巷道掘进中的应用研究

曹立平

（晋能控股集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

虎龙沟煤矿21517 运输巷水文地质条件复杂，传统钻探方案导致巷道掘进效率低下，需要快速高效的超前探测方法[1-5]来提升虎龙沟煤矿巷道掘进效率。电法勘探是目前被广泛应用于巷道的超前探测方法，但单一电法勘探具有一定的缺陷。因此根据不同电法勘探的优缺点，将不同电法勘探结合形成综合电法勘探，是提高巷道超前探测效率和精度的有益探索。

1 工程背景

1.1 工程概况

21517 运输巷位于81517 工作面，东西部未开拓，南部与盘区运输大巷相接，北部邻近塔山矿矿井边界。巷道沿5#煤层底板掘进，煤层平均倾角为3°，均厚11.98 m。巷道设计长度954 m，矩形巷道（5.2 m×3.5 m）。巷道顶板为8.48 m 的余煤，煤层坚硬，普氏系数为4.5。直接顶为厚4.65～6.0 m的粉砂岩和煌斑岩，老顶为厚3.6～24.55 m 的粉砂岩和泥岩，直接底为厚1.95～3.25 m 的砂质泥岩，老底为厚3.35～12.15 m 的细砂岩。煤层厚度大，结构复杂，局部煤层顶板受火成岩侵蚀为煌斑岩，部分煤层受挤压疏松。据相邻塔山矿井资料推测可能存在1 条落差约1.5 m 的正断层，存在水患和漏顶风险。

1.2 工程问题

由工程概况可知，掘进巷道煤层顶板有煌斑岩侵入，地质构造较复杂。根据“有掘必探，先探后掘”原则，为避免巷道掘进过程中揭露含水构造，需在巷道掘进期间对迎头区域进行超前探测，保障巷道掘进的安全性。2021 年4 月巷道开始掘进，计划掘进日进尺7 m，受传统低效率钻探技术影响，实际进尺6 m/d，影响了巷道掘进速度。因此，寻求一种快速且准确的超前探测方法尤为重要。

2 综合电法勘探的分析

目前常用的电法勘探手段为瞬变电磁法和直流电法，两种电法的原理不同，导致其适用范围不同。对两种方法在巷道超前探测中应用的基本原理和适用范围进行分析，探究如何将两种电法勘探手段有机结合，以实现在巷道掘进超前探测中的优化。

2.1 瞬变电磁法

（1）基本原理。布置于掘进工作面的重叠回线装置，可以向掘进迎头后方发射特定强度和方向的电磁波，瞬间关断电流后，具有导电性能的煤岩体会在前方产生烟圈状的不同强度的电磁场。由于发射线圈的距离和不同结构煤岩体导电性能的差异，根据接收电磁波的延迟时间和电阻率值变化规律，可以判断巷道掘进迎头前方的结构变化。即根据探测结果中高电阻围岩中的低阻地质体（采空区、不规则水体和断层等构造），实现巷道掘进的超前探测。瞬变电磁法原理如图1。

图1 瞬变电磁法超前探测示意图

（2）适用范围。由于瞬变电磁法是利用电流关断的工作原理，距离掘进工作面迎头较近的早期电磁场，衰减速度快，趋肤深度较小。距离掘进工作面迎头较远的晚期电磁场，衰减速度慢，趋肤深度较大。早期电磁场所得的数据量较少，对于构造区域的具体范围探测不明。晚期电磁场衰减速度慢，探测所得数据量大，有效避免探测误差。晚期电磁场的探测范围一般距掘进工作面30 m 以外，因此掘进工作面30 m 以内采用此方法超前探测，可信度较低，30 m 以外的远距离探测的精确度相对较高。

2.2 直流电法

（1）工作原理。直流电法的工作原理如图2。在掘进工作面的后方和掘进迎头处分别布置A、B接地电极，用以提供电流。在掘进工作面的后方间隔一定距离分别布置M、N 接地电极，用以测量电流。由于煤岩体的导电性差异，可以通过分析电流场的差异，确定掘进工作面迎头前方的煤体特性（含水性）和地层构造（断层、裂隙区和陷落柱等）。

图2 直流电法工作示意图

（2）适用范围。受煤岩体电流损耗的影响，距离掘进迎头较远距离的数据可信度较差，因此直流电法仅适用于掘进工作面前方近距离（50 m 以内）的探测。

2.3 综合电法勘探

综上分析可知，瞬变电磁法远距离探测精度较高，直流电法近距离探测精度较高。在巷道掘进过程中，采用瞬变电磁法和直流电法共同探测，先采用瞬变电磁法对前方构造进行探测，记录瞬变电磁法探测结果中的异常区域，随着巷道掘进至距异常区域50 m 处时，采用直流电法对瞬变电磁法探测发现的异常区域进行详细的补充探测，利用直流电法近距离探测准确的优点，确定异常区域的具体范围，为放水作业提供准确的资料，提高作业效率，避免探测误差。综合电法勘探结合了两种电法勘探的优点，规避了单一电法超前探测的缺陷，使巷道掘进超前探测的精度和范围大幅度提升。

3 工程应用

2021 年4 月—2021 年9 月，在21517 巷道掘进期间，采用瞬变电磁法和直流电法结合的综合电法进行超前探测，探测巷迎头前方100 m 的低阻体异常及分布范围，分析迎头前方的富水性。

3.1 综合电法探测方案

（1）瞬变电磁法

探测采用YCS200（A）矿用瞬变电磁仪，发射及接收线圈为边长1.5 m 的正方形线圈，发射线圈匝数4 匝，接收线圈匝数40 匝。供电电流档为50 A，供电脉宽10 ms，采样率16 µS。在进行超前探测时，线框法线方向指向探测方向，线框法线与巷道延伸方向分别呈+45°（仰角）、0°（顺层）、-30°（俯角）、-45°（俯角），对每个方向±90°探测。规定探测方向为纵坐标正方向，垂直于探测方向为横坐标（左负右正）；该位置施工形成4 个探测横剖面，间隔进行11 次探测，共进行44 次探测，探测前方是否存在视电阻率小于15 Ω·m 为相对低阻异常区。

（2）直流电法

探测采用YDZ16（A）矿用多道并行直流电法仪，于掘进工作面后方顺序布设供电电极B、测量电极N、测量电极M 及供电电极A。A、M 电极之间间隔15 m，N、M 电极之间间隔15 m，B 电极布设于掘进工作面处，随巷道掘进向前移动。

3.2 实例分析

21517 运输巷掘进至767 m 时，瞬变电磁法探测结果发现异常，对其探测结果图进行分析，图3为此时的（0～100 m）拟视电阻率等值线图。

图3 拟视电阻率等值线图

由图3 可知，仰角45°方向左前方40 m 处存在电阻率为140 Ω·m 的高电阻区，右前方60～80 m范围内存在0～15 Ω·m 低电阻异常区，其余区域岩层电阻率在120 Ω·m 左右；在俯角30°方向前方60 m 处存在电阻率为172 Ω·m 的高电阻区，其余区域岩层电阻率在105 Ω·m 左右，可推断掘进头右前方60～80 m 的区域内存在异常区域。

当掘进头推进至距异常区域30 m 时，通过直流电法对前方区域进行探测，图4 为此时（0～50 m）直流超前拟视电阻率等值线图。

图4 直流超前拟视电阻率等值线图

由图4 可知，迎头正前方30 m 位置处存在一处视电阻率值为15 Ω·m 的低阻异常区，其余区域视电阻率值在105 Ω·m 左右，与瞬变电磁法超前探测发现异常的位置重合，进一步验证了此位置区域可能存在异常。2021 年8 月，矿方通过钻探验证，发现此区域存在弱富水性的断层含水构造。随后及时采取安全措施，消除了水害和顶板安全威胁，避免了安全事故的发生。21517 运输巷相邻巷道采用单一钻探探水掘进方式的掘进速度为6 m/d，采用综合电法超前探测后，仅需在异常区域补充钻探，掘进速度增加到8 m/d，掘进效率提升了33%。

4 结论

（1）在巷道掘进超前探测中，瞬变电磁法近距离探测可靠性低，直流电法远距离探测可靠性低。

（2）将直流电法和瞬变电磁法结合探测可有效提升超前探测范围和探测精度。

（3）21517 运输巷采用综合电法探测后，水害威胁能提前探明，且掘进效率提升了33%。