瞬變電磁法在煤礦富水性超前探測中的應(yīng)用

賀潤山

（太原市國土資源局萬柏林分局，山西 太原 030024）

·技術(shù)經(jīng)驗·

瞬變電磁法在煤礦富水性超前探測中的應(yīng)用

賀潤山

（太原市國土資源局萬柏林分局，山西 太原 030024）

根據(jù)煤礦防治水規(guī)定，利用近期興起的瞬變電磁法對煤礦掘進工作面的富水性進行超前探測，對發(fā)現(xiàn)的異常進行預(yù)測預(yù)報。作為一種新的物探方法，由于其簡便、快速的優(yōu)點，在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了瞬變電磁法在煤礦超前探測中的應(yīng)用，并對探測效果進行驗證，以期對發(fā)現(xiàn)的問題進行一些有益的探討。

煤礦富水性；超前探測；瞬變電磁法；預(yù)測預(yù)報

1 井下超前探測的原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法。其探測原理是：在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑?，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V（t），就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導(dǎo)體時，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。

從巖性物性差異的角度來看，一般變化規(guī)律認為泥巖、粉砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖到煤層、灰?guī)r，電阻率逐漸增高，即煤層、灰?guī)r相對其它巖層為高電阻率阻層，若巖層含水，則隨著其含水率的增加電阻率減小，因此，巖層電阻率發(fā)生變化除與巖層巖性本身有關(guān)外，其含水性也起決定作用，故在灰?guī)r等高阻地層中，地層含水，表現(xiàn)為低電阻率值；相反，則表現(xiàn)高電阻率值。

探測迎頭前方受斷層、陷落柱、溶洞等影響，可能存在導(dǎo)水裂隙或含水構(gòu)造，在地球物理上表現(xiàn)電性差異，因此，采用瞬變電磁法可以探測迎頭前方電性分布情況，判斷前方賦水性，為巷道安全掘進提供更多水文地質(zhì)信息。良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)原理圖見圖1。

圖1 良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)原理圖

2 礦井及測區(qū)概況

該礦位于山西盂縣縣城以東。本次探測位置為15207回風(fēng)順槽工作面，北為15209工作面，西部為孫家莊保安線，東為南運輸、回風(fēng)大巷，南為15205綜采工作面。地面位置西部位于孫家莊保安線，北部為山坡梯田地帶，南部為15205綜采工作面與常家溝保安線，東部為采空區(qū)。地面無建筑物、小井及其它。地面標高940，覆蓋層厚度140～180 m。煤層頂板為石灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖。

井田位于沁水煤田東北部邊緣、沁水塊坳盂縣坳緣翹起帶。區(qū)域構(gòu)造以東西向褶皺帶派生有北東向和近東西向斷裂為基本特征。陷落柱不發(fā)育。

井田總體構(gòu)造形態(tài)為一軸向近東西向的褶皺，巖層走向北東，傾向北西和南東，傾角一般為5°～15°。井田內(nèi)共發(fā)育4條正斷層，落差均為5～30 m，傾角65°～70°，斷層走向近東西向。

礦井充水因素主要有大氣降水、地表水、含水層水和采空區(qū)積水，所以，礦井在開采過程中要加強雨季防治水管理，并高度重視老窯采空區(qū)積水的探放水工作，確保礦井安全生產(chǎn)?，F(xiàn)對其充水條件描述如下：

大氣降水：本區(qū)以大氣降水為井下開采涌水的主要補給來源，流量動態(tài)變化與大氣降水關(guān)系特別密切。大氣降水經(jīng)第四松散層、二疊系砂巖、石炭系石灰?guī)r溶裂隙下滲補給，因此，降水量大小對礦井充水有很大影響。

地表水體：秀水河由西向東經(jīng)過本井田，該河床的孔隙水會沿地層露頭風(fēng)化帶的孔隙、裂隙補給地下進入礦井，是礦井充水因素之一。

頂板和井筒滲水：由于煤層上覆含水層富水性不強，補給條件也不好，主要為井筒滲水、頂板滲水和采空區(qū)滲水，據(jù)該礦開采15＃煤層情況，15＃煤層礦井正常涌水量為600 m3／d，最大涌水量為700 m3／d。

據(jù)生產(chǎn)礦井充水情況與礦區(qū)水文地質(zhì)條件來看，本區(qū)煤層充水通道主要為煤層頂板以上巖石的裂隙、巖溶、開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶及井筒。本井田15＃煤層水文地質(zhì)條件為中等。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次礦井瞬變電磁物探工作使用的儀器為中煤科工集團重慶煤科院公司生產(chǎn)的YCS40（A）礦用瞬變電磁儀。這套礦用瞬變電磁儀對低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且施工快捷、效率高，既可以用于煤礦掘進頭前方，也可以用于巷道側(cè)幫、煤層頂、底板等探測，為煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中水患和導(dǎo)水構(gòu)造的超前預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)手段。

該瞬變電磁儀系統(tǒng)可以通過加大發(fā)射功率的方法增強二次場，提高信噪比，從而加深勘探深度；通過多次脈沖激發(fā)場的重復(fù)測量疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，提高信噪比，從而應(yīng)用于工作復(fù)雜、噪聲干擾大的煤礦井下水害超前預(yù)報，有效勘探深度能達到25～120 m。

本次探測位置位于15207回風(fēng)順槽967＃導(dǎo)線點前36 m。巷道采用錨桿、網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護，矩形斷面。探測工作受到迎頭位置積水的嚴重干擾，施工過程中受到工字鋼支護和單體液壓支柱的干擾，探測深度降低，采樣質(zhì)量較差，探測結(jié)果可信度降低。

本次礦井瞬變電磁法勘探采用重疊回線裝置，利用多匝1．5 m×1．5 m矩形回線，發(fā)射線框10匝，接收線框24匝。疊加次數(shù)：64次，時間采用標準時間序列。關(guān)斷時間為250。

該次探測測點布置于工作面迎頭，發(fā)射、接收線框沿頂板、順層、底板方向呈扇面布置。采用重疊回線裝置，發(fā)射線框采用多匝1．5m×1．5 m矩形回線。探測分頂板、順層和底板3個方向掃描，頂板方向主要控制巷道頂板方向的含水構(gòu)造，順層方向主要控制巷道前方向及兩幫的含水構(gòu)造。底板方向主要控制巷道底板方向的含水構(gòu)造。頂板、水平、底板方向掃描左右各50°范圍，每10°1個測點，共11個測點，3條測線共計33個測點。探測布置示意圖見圖2。

圖2 探測示意圖

4 數(shù)據(jù)處理與分析

瞬變電磁數(shù)據(jù)處理，利用相關(guān)計算公式計算視電阻率、視深度等一些基本參數(shù)，根據(jù)資料的實際情況應(yīng)進行濾波、一維反演處理，直至獲得合適的解釋數(shù)據(jù)。

本次資料解釋將堅持：現(xiàn)場水文地質(zhì)分析與物探資料解釋相結(jié)合，進行定性解釋，采用綜合處理與解譯技術(shù)，減少多解性，提高解釋可靠性。

根據(jù)礦井瞬變電磁場擴散特征，及TEM視電阻率擬斷面圖，綜合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，分析判別沿三個方向探測電性變化情況，工作面頂板、順層、底板方向超前探測視電阻率等值線圖見圖3～5。

圖3 工作面頂板方向超前探測視電阻率等值線示意圖

圖4 工作面順層方向超前探測視電阻率等值線示意圖

圖5 工作面底板方向超前探測視電阻率等值線示意圖

圖3～5中坐標（0，0）點的位置均為目前掘進工作面的空間位置，為了直觀表現(xiàn)探測剖面的視電阻率分布規(guī)律，對斜向上及斜向下的圓錐形探測曲面作平面處理。在每幅圖中，由A正常區(qū)、B過渡區(qū)、C異常區(qū)組成，表示巖層由高阻變化為低阻的趨勢，在一般情況下，巖層含水性越強，其電阻值越低。

由圖3可知，頂板方向探測剖面內(nèi)的視電阻率變化較大，在掘進面的左前方、右前方50 m距離以外均存在一定范圍的低阻區(qū)域。

由圖4可知，水平探測剖面內(nèi)在左幫、右?guī)途嗑蜻M工作面40 m距離之外的范圍存在較大范圍的低阻區(qū)域。

由圖5可知，底板方向探測剖面內(nèi)50 m距離之外的范圍存在明顯的低阻異常區(qū)。異常區(qū)可能相對富水。

5 結(jié)論及探討

由于物探資料存在多解性，且影響視電阻率大小的因素較多。因此，異常區(qū)的富水性僅是一種相對定性評價，根據(jù)各測線的空間關(guān)系，對比分析各個探測剖面所示視電阻率分布，可以得到以下主要結(jié)論：

目前，掘進層位的頂、底板之間的阻值變化不大，均顯示50 m范圍后為低阻異常區(qū)域；距離工作面迎頭40 m以內(nèi)范圍相對富水性不強；工作面頂板、底板50 m范圍后顯示為低阻異常，相對富水性較強；從圖4可以看出，掘進工作面正前方?jīng)]有明顯的低阻異常區(qū)域。工作面迎頭順層方向相對富水性較弱；受工作面頂板淋頭水及單點支柱低阻干擾影響，探測異常范圍可能與實際存在一定誤差，要求礦方依照井下實際揭露情況為準。

物探作為地測防治水的一種手段，其成果不能作為巷道掘進工作的最終指導(dǎo)結(jié)論，還需與其他手段相結(jié)合才能獲得更準確的結(jié)論。

經(jīng)對該異常進行鉆探并在3個工作日內(nèi)放水約10 000 m3，后該含水區(qū)域出水量趨于正常，后續(xù)掘進過程中陸續(xù)排水約3 000 m3，順利通過了該物探異常區(qū)。經(jīng)隨后驗證，該異常已趨于正常。

值得注意的是：探測過程中由于受儀器關(guān)斷時間及發(fā)射線框的限制，礦井瞬變電磁法探測范圍為25～100m；探測深度只局限于視深度的概念，可能與實際探測深度有一定誤差；瞬變電磁法屬于全方位探測，無法對異常區(qū)的距離準確定位；由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及瞬變電磁法固有的局限性，對以上所提的低阻異常區(qū)無法做出采空積水或是裂隙發(fā)育帶積水的明確判斷；瞬變電磁法對靜態(tài)導(dǎo)水裂隙的導(dǎo)水能力缺乏判斷，在巷道掘進中對以上提出的重點異常區(qū)以外的導(dǎo)水裂隙也必須加以注意；巖性的電性差異也可以造成視電阻率的微小變化。

［1］ 孫銀行．瞬變電磁資料的精細處理和解釋研究［D］．濟南：山東科技大學(xué)碩士論文，2007．

［2］ 楊振威，呂慶田，凌標燦，等．瞬變電磁法在探測底板賦水性中的應(yīng)用［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（8）：27-28．

［3］ 易德禮，徐勝平，金國祥，等．礦井瞬變電磁法在探測工作面頂板富水區(qū)的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2004（12）：36-37．

Application on Transient Electromagnetic Method in Advanced Detection of Rich Water in Coal Mine

He Run-shan

According to the water prevention and control regulations in coal mines，using the recent arisen the transient electromagnetic method carries out advanced detection for rich water of the tunneling face in the coal mine，forecasts the found abnormal areas．As a new geophysical methods，due to its simple and fast advantages，has been widely used in the production．Introduces the application of the transient electromagnetic method in advanced detection of coal mines，and the detection results are verified，in order to do some beneficial discussion for the found problems．

Rich water of coal mine；Advanced detection；Transient electromagnetic method；Forecast

TD745+．2

B

1672-0652（2013）09-0069-04

2013-06-22

賀潤山（1966—），男，河北蔚縣人，1987年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)勘察及技術(shù)管理工作（E-mail）294528630＠qq．com