綜合電法超前探在煤礦的應(yīng)用研究

王程 王艷波 李冰

[摘要]為確保煤礦掌子面的安全掘進生產(chǎn)，需探明前方的水文地質(zhì)情況。直流電法和瞬變電磁法均對富水區(qū)敏感：其中直流電法抗干擾能力強，橫向分辨率高，能較為準確的分辨出富水異常區(qū)距掌子面的距離，但在礦井全空間的地電條件下，瞬變電磁法具有較強的方向性，能較為準確的分辨富水異常區(qū)的縱向發(fā)育位置，兩種方法結(jié)合，精準的定位富水區(qū)位置，解決了水文地質(zhì)問題。

[關(guān)鍵詞]直流電法 瞬變電磁法 超前探測 富水區(qū)

[中圖分類號] X752 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-9-236-2

1引言

水害是影響礦井安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，特別是奧灰?guī)核?。近幾年，井下直流電法探測巷道老窯巷道積水、斷裂破碎帶、含水和導(dǎo)水構(gòu)造等取得了明顯的地質(zhì)效果。由于巖石電阻率大小主要取決于空隙內(nèi)的富水性和孔隙空間特性，所以直流電法電阻率成象對于識別掘進巷道前方的老窯巷道、隱伏斷層、破碎帶、陷落柱，尤其含水、導(dǎo)水破碎帶，甚至潛在的突水點都有明顯的地質(zhì)效果，已成為煤礦水害探測的最佳選擇[1]。

但在礦井全空間的地電條件下，直流電法超前探測并不能分辨異常區(qū)的垂向分布

位置，相比瞬變電磁法具有較強的方向性，能定位異常區(qū)的垂向位置，這樣，兩種方法綜合探測，相互補充，互相驗證。

2方法概述

2.1直流電法超前探測

直流電法超前探是基于直流電法測深方法原理，用以研究掘進頭前方相對電性變化規(guī)律，預(yù)測掘進頭前方含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布和發(fā)育情況的一種井下電法探測新技術(shù)[2]。

四點源法超前探測技術(shù)同時在堵頭后方布設(shè)4個供電點，利用在巷道后方不同供電電源所產(chǎn)生的電位差，經(jīng)過視電阻率計算，得出不同極距的視電阻率異常，經(jīng)過各種處理，消除巷道影響、后方異常影響、側(cè)方異常影響。通過空間交匯，可以準確對前方異常進行定位，較好地解決了超前勘探含水構(gòu)造這一問題。從均勻全空間出發(fā)，可計算出巖石的視電阻、視電阻率：

2.2瞬變電磁法超前探測

礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法基本原理相同。所不同的是，礦井瞬變電磁法是在井下巷道內(nèi)進行，瞬變電磁場呈全空間分布，全空間效應(yīng)成為礦井瞬變電磁法固有的問題。煤層一般情況下為高阻介質(zhì)，電磁波易于通過，所以煤層對TEM來說就沒有像對直流電場那樣的屏蔽性，故接收線圈接收到的信號是來自發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映，因而在判定異常體空間位置時，需根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)資料加以綜合分析確定。

瞬變電磁法的視電阻率是通過將均勻半空間表面的瞬變電磁場在小感應(yīng)數(shù)或大感應(yīng)數(shù)條件下近似，得到半空間電阻率與電磁場的反函數(shù)關(guān)系。

令u<<1，即2πa/τ<<1，當(dāng)t較大時可滿足此條件，為晚期條件[4]。其視電阻率的公式為：

在針對采區(qū)水文物探中，含煤地層一般為層狀的特點，可采用下面的方法進行時深轉(zhuǎn)換。

將時間-視電阻率曲線轉(zhuǎn)換成深度-視電阻率曲線是一個關(guān)鍵步驟，理論上瞬變電磁深度基于均勻介質(zhì)瞬變場的擴散深度即均勻大地中，在任意時刻t時最強瞬變場所在深度稱之為擴散深度，以 δTD表示，則：

計算某一測道深度時，設(shè)前一個測道的時間和計算深度分別為ti-1和hi-1，本測道的時間ti，晚期電阻率ρi，則本測道計算深度hi為：

由于礦井瞬變電磁法回線組合形式和背景干擾與地面不同，其探測深度與地面也不同.在計算深度時必須增加校正系數(shù)，通過理論模型和實際資料驗證，K較為關(guān)鍵，它可以根據(jù)長期大量的試驗獲取，并要根據(jù)礦井探測方向的地質(zhì)預(yù)想剖面或巖性柱狀加以取值，煤、巖及不同巖層K值均不相同，因此在進行深度轉(zhuǎn)化時對K的取值一定要結(jié)合實際情況而定，可結(jié)合鉆孔或地層資料有針對性地轉(zhuǎn)換[3-4]。

3測區(qū)地質(zhì)與地球物理概述

超前探測的施工巷道為在煤層中掘進，該煤層厚約2.5m，直接頂、底板以砂泥巖為主，主要水害威脅為奧灰水。煤層距離奧灰平均為20m，煤層底板標高低于奧灰水位70m左右，即帶壓為0.7MPa，煤層底板下存在一層鋁土泥巖，在地層較為完整的情況，可作為較好的隔水層。因此跟蹤超前探測主要目標地質(zhì)體為構(gòu)造裂隙帶。

在正常地層中，電流線在地層中均勻分布。當(dāng)有含水?dāng)鄬踊虺渌严肚懈畹貙訒r，由于水體良好的導(dǎo)電性，電力線會向含水?dāng)鄬踊蛄严镀扑閹Ъ?，使探測到的視電阻率值比其它部位的視電阻率值明顯降低，這就為掘進頭超前探測提供了良好的物性基礎(chǔ)。

通過對掘進頭超前探測視電阻率數(shù)據(jù)的分析和解釋，可推斷掘進頭前方含賦水異常的分布特征[5]。

4數(shù)據(jù)處理

4.1直流電法超前探測

在獲取的地質(zhì)信息中，包含有地下全空間各種地質(zhì)體的影響?？蓺w結(jié)為測量電極M、N附近的（巷道底板不均勻，M、N電極接地條件的不均一、巷道內(nèi)局部電性不均勻地質(zhì)體等）影響、地層層狀空間的影響、地層各向異性的影響、巷道工作面非正前方的影響（上方、下方、左方、右方、后方）、巷道工作面前方的影響。在均勻空間或?qū)訝羁臻g條件下、順層超前探測時，分別需對下列影響進行消除[2]：

①測量電極M、N附近的影響消除；

②層狀地層和各向異性的影響消除；

③工作面非正前方的影響消除；

4.2瞬變電磁法超前探測

礦井小線框瞬變電磁中心回線裝置觀測得到的二次場衰減曲線與地面地面大線框瞬變電磁中心回線裝置的差異較大，由于線圈邊長小，匝數(shù)多，因此關(guān)斷時間內(nèi)的電感影響和線圈固有過渡過程對所測得曲線產(chǎn)生較大的影響，所以想要對礦井瞬變電磁數(shù)據(jù)進行如地面數(shù)據(jù)相同的圓滑濾波、去干擾、全期視電阻率計算、反演等處理步驟并取得合理的結(jié)果，必須消除多匝小回線裝置對觀測信號的影響[6-7]，如圖1，實線為原始曲線，虛線為電感校正之后的曲線圖。

5地質(zhì)成果

實際施工在工作面順槽掘進區(qū)間，在掌子面附近施工直流電法和瞬變電磁法超前探測，見圖2。

圖2為直流電法和瞬變電磁法經(jīng)過處理后的電阻率剖面圖，長方形圖為直流電法超前探測成果圖；扇形圖為瞬變電磁法頂、底板超前探測成果圖，上面代表頂板，下面代表底板，以深色表示電阻率高值段，淺色表示電阻率低值段。

從直流電法的成果圖中發(fā)現(xiàn)一處低阻異常區(qū)，距離掌子面36～41m之間，結(jié)合瞬變電磁法垂直方位的成果圖，發(fā)育一處低阻異常區(qū)，距離掌子面24～40m之間，異常垂向位置發(fā)育巷道掘進路徑的底板下0～16m之間，異常核心位于底板下10m附近，根據(jù)附近鉆孔巖性剖面分析底板下10m附近巖性以砂巖為主，因此推測該物探低阻異常為底板下裂隙發(fā)育、砂巖富水性較強所致，巷道掘至異常附近，可能伴隨底板巖層破碎、出水的現(xiàn)象。

后經(jīng)巷道掘進揭露顯示（圖2），異常附近出水，水量大小為10m3/h，水質(zhì)類型為SO4（HCO3）-Ca型，pH值為7.34。出水點剛發(fā)現(xiàn)出水時，水量較大，隨后開始減小至2m3/h，由于掌子面為巷道最低，礦山壓力較大，且底板破碎，導(dǎo)致出水。

由于巷道距離奧灰頂界面較近，為進一步驗證底板裂隙未發(fā)育至奧灰層位，施工定向水平鉆，位于底板下20m附近（圖2中黑色虛線為鉆探軌跡），并未出現(xiàn)出水或其他異常，驗證了物探成果中異常垂向發(fā)育在底板下10m附近的推測。

6結(jié)論

①直流電法和瞬變電磁法超前均能較為準確的探測、預(yù)報掌子面前方的水文地質(zhì)異常。

②直流電法超前探能較為準確定位異常體的橫向距離，瞬變電磁法超前探則分辨異常體的垂向位置，兩種方向相結(jié)合，互相補充，互相驗證。

③瞬變電磁法采用電感校正等處理方法為可能出現(xiàn)同一測線不同測點計算出不同的校正系數(shù)，產(chǎn)生一些不利于解釋的結(jié)果，因此需要進一步的研究瞬變電磁法的處理解釋方法。

最后由衷的感謝參與課題和施工的集團公司及煤礦的相關(guān)人員。

參考文獻

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