隨鉆鉆孔電磁波層析成像技術(shù)在超前探水中的應用

魏川博

（大同煤礦集團有限責任公司技術(shù)中心山西大同037003）

1 引言

我國煤礦井下地質(zhì)條件復雜，礦井水害嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)。據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計，水害在煤礦重、特大事故中是僅次于瓦斯爆炸的重大災害，因此解決水害威脅具有不可估量的意義。煤礦現(xiàn)使用的物探方法主要是瞬變電磁法、直流電法與鉆探三種方法相結(jié)合的探水方案。其在安全性、普適性和準確性上優(yōu)勢明顯，但是也存在不足，如鉆探在多角度打多個鉆孔上不僅耗時耗力，且只能探明掘進直線上的水文地質(zhì)情況，瞬變電磁法及直流電法受周圍環(huán)境影響嚴重等。為彌補不足，研發(fā)了隨鉆電磁波層析成像設備及其分析系統(tǒng)。

2 隨鉆電磁波層析成像探測原理及探測方法

電磁波層析成像技術(shù)（Electromagnetic Tomogra?phy，簡稱EMT），又稱為無線電波透視法。這種方法來源于醫(yī)學中常用的CT（Computerized Tomography）技術(shù)，即所謂的計算機層析成像技術(shù)，它屬于投影重建圖像的應用技術(shù)之一，其數(shù)學理論基于Radon變換與Ra?don逆變換，即根據(jù)在物體外部的測量數(shù)據(jù)，依據(jù)一定的物理和數(shù)學關(guān)系反演物體內(nèi)部物理量的分布，并由計算機以圖像形式顯示的高新技術(shù)。[1]

2.1 探測原理

眾所周知，頻率域電磁法的基本原理是以平面波入射的不同頻率的天然電磁場向地下傳播過程中，在地球介質(zhì)中感生出二次電磁場，通過在地面觀測入射的和感生的不同頻率的電磁場信號Hx、Hy、Hz、Ex、Ey，求解地下電阻率分布及有關(guān)電性結(jié)構(gòu)參數(shù)。[2]

隨鉆電磁波探測屬于頻率域電磁測深法，一般采用正弦波規(guī)律變化的交變電流場源的激勵，在鉆孔周圍形成諧變電磁場，并且在鉆孔周圍圍巖中感應出二次電場，二次電場電流密度的穿透深度依賴于頻率，對于高頻由于趨膚效應，電流密度集中在鉆孔近處，而低頻其穿透深度深，電流密度集中在鉆孔遠處。在鉆孔電磁波層析成像的頻率域電磁法中，一般認為有效勘探深度是離鉆孔半徑振幅衰減e 倍的深度，即趨膚深度，用趨膚深度的有效值代表電磁波的勘探深度，寫成便于應用的數(shù)值方程形式為：

其中z效為電磁波有效探測深度，m；ρ 為電阻率，f為頻率，μ 為磁導率，ε 為介電常數(shù)。通過對有效探測深度和觀測和電磁場特征的研究來預測地質(zhì)構(gòu)造異常、地下含水層的分布情況。

（1）地電特征研究：對各礦可采煤層、頂?shù)装鍘r石電性參數(shù)調(diào)研統(tǒng)計，提出典型電性地質(zhì)模型。

（2）采空區(qū)積水在物探資料上的特征研究：通過對各礦采空區(qū)積水區(qū)的大量探測工作，總結(jié)瞬變電磁法在有積水時解釋資料上的特征，從而準確判斷積水的存在并估算積水量，為煤礦的開采提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2.2 探測方法

隨鉆電磁波層析成像技術(shù)相比于現(xiàn)有的超前預報設備和方法，其優(yōu)勢之一是隨鉆，即將它的探測探頭安裝于鉆孔鉆機的鉆頭和鉆桿之間，通過螺紋連接并置于正在鉆進的鉆孔中，探測探頭根據(jù)鉆桿的工作狀態(tài)自動探測，探測時通過發(fā)射接收不同頻率的一組電磁波來完成探測鉆孔周圍不同半徑的巖層地質(zhì)的巖層地質(zhì)特征，判斷鉆孔周圍一定范圍內(nèi)有無含水體等有害地質(zhì)體。當鉆孔完成并在探測探頭退出鉆孔后，可以把探測探頭的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場主機，現(xiàn)場主機可計算每一個探測點處的鉆孔周圍不同半徑的地層的視電阻率，并生成整個鉆孔周圍不同半徑的地層的視電阻率，并生成整個鉆孔深度不同半徑的視電阻率圖譜，根據(jù)視電阻率圖譜可以判定以鉆孔軸線為中心圓柱體空間內(nèi)的地質(zhì)特征，分析判定地層是否存在含水體或含水地質(zhì)構(gòu)造等。[3]

圖1 隨鉆鉆孔電磁波層析 成像探測方法示意圖

圖2 隨鉆鉆孔電磁波層析成像 現(xiàn)場主機的結(jié)構(gòu)框圖

圖3 隨鉆鉆孔電磁波層析成像現(xiàn)場探頭的結(jié)構(gòu)框圖

3 現(xiàn)場應用

3.1 燕子山煤礦概況

燕子山井田位于大同煤田西北邊緣，左云縣與大同市的交界處。屬神頭泉域北部邊緣，區(qū)域南部為強烈侵蝕的中高山區(qū)。區(qū)域北部為以河流侵蝕為主的低山丘陵區(qū)，東西向展布的十里河、淤泥河河床開闊，河床兩側(cè)則過渡為丘陵低山地貌。燕子山井田位于區(qū)域中部十里河南側(cè)，井田一帶海拔一般在1 250 m～1 450 m之間。

燕子山煤礦試驗地點是302 采區(qū)8202 工作面，地面標高為1 328 m～1 406 m，工作面標高為910 m～950 m。地面位置位于小蒜溝保護煤柱以南，馬脊梁溝以西的山梁地帶，地面有少量楊樹，蓋山厚度434 m～462 m。井下位置位于山4#層302盤區(qū)，東部為山4#層盤區(qū)巷，南部馬脊梁礦井田邊界，西部為山4#層可采邊界，北部為8204 設計工作面。對應上覆為馬脊梁礦7#、11#、14-2#、14-3#層采空區(qū)。

8202 工作面煤層結(jié)構(gòu)復雜，有2 至4 層厚度為0.1 m～0.5 m的夾石，煤層厚度4.00 m～7.60 m/6.10 m、屬厚煤層，煤厚變異系數(shù)為10.5%、系穩(wěn)定煤層；煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定走向大致呈東西，傾向北，傾角平均3°。老頂是粗、細砂巖、礫巖、高嶺巖，厚度為13.56 m，巖性為白色，含少量暗色礦物，膠結(jié)致密。直接頂是中、細砂巖、高嶺巖、礫巖，厚度為8.80 m，巖性為灰白色，成份為石英、含少量長石，泥質(zhì)膠結(jié)。直接底是高嶺巖，厚度為3.82 m，巖性是灰白色，含少量石英、少量暗色礦物。2202巷采位1 645 m處揭露落差為1.6 m的正斷層，對回采有一定影響。于采位32 m～72 m 揭露一處0.1 m～3.3 m的沖刷，預計對回采影響范圍45 m，對回采影響較大。5202 巷采位973、1714、1 768 m 處分別揭露落差為1.0 m、1.5 m、1.5 m 的正斷層，對回采有一定影響。水文地質(zhì)類型為中等，4#煤層上覆有永定莊砂巖裂隙含水層和大同組層間裂隙含水層及山西組底部K3 砂巖裂隙水。K3 砂巖距4#層底部一般10 m 左右，巖性為灰白色中粗砂巖為主，膠結(jié)較為疏松，有水蝕痕跡和氧化銹斑。

3.2 現(xiàn)場試驗方案設計

此次試驗使用武漢長盛煤安科技有限公司的YZT-12隨鉆電磁波探水儀。

表1 YZT-12隨鉆電磁波探水儀主要技術(shù)指標和工作參數(shù)表

使用電機額定功率為22 kw 的XYJ-1000/135 型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機在燕子山礦4#層302盤區(qū)5202巷765 m 處開試驗鉆孔，采用直徑65 mm 鉆頭鉆進,鉆桿直徑42 mm，方向角235°，角度3°，深度21 m，鉆桿推進，邊鉆邊測。

3.3 鉆孔施工及結(jié)果分析、驗證

依據(jù)上述設計進行了現(xiàn)場探測，探測數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后生成的視電阻率圖譜如圖4。

圖4 中由紫色到紅色表示視電阻率越來越大，視電阻率越低即出現(xiàn)含水體的可能性越大，視電阻率越高則出現(xiàn)含水體的可能性越小。

圖4 燕子山礦隨鉆電磁波探測結(jié)果視電阻率圖譜

從探測數(shù)據(jù)圖像分析：圖4 顯示左側(cè)藍色區(qū)域為鉆進時的鉆孔水引起的低阻異常信號，有效測試距離為25 m～30 m。圖形右側(cè)紅色區(qū)域為高阻體，綠色區(qū)域為低阻體。由此可知鉆孔周圍無明顯含水體存在。鉆孔周圍近距離因鉆孔水造成煤層濕潤引起低阻異常，隨著遠離鉆孔，鉆孔水造成煤層濕潤程度減小，煤層電阻逐漸增大，說明探測效果較好。為驗證探測結(jié)論，探頭取出后在圖5所示位置分別以如下表2中參數(shù)打驗證鉆孔，用來驗證試驗結(jié)果準確性。

圖5 二疊系山4#層302盤區(qū)（南）地質(zhì)平面圖截圖

圖6 4#層302盤區(qū)8202工作面5202巷實測地質(zhì)剖面圖

表2 驗證鉆孔參數(shù)

圖7 試驗鉆孔鉆探布置平面圖

驗證鉆孔均未探出水，結(jié)果顯示試驗鉆孔周圍不存在含水體，根據(jù)煤礦提供已探明地質(zhì)情況資料并結(jié)合鉆孔驗證結(jié)果分析，可知隨鉆電磁波層析成像超前探水結(jié)果與鉆孔驗證結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

先采用隨鉆電磁波層析成像技術(shù)超前探水，隨后鉆探驗證隨鉆探水技術(shù)的準確性與可靠性。設備有效探測范圍約以鉆孔為中心擴散半徑30 m，以一孔代替多孔，而且減少鉆探長度，極大提高工作效率。設備以無線傳輸取代有線傳輸，輕便方便攜帶，節(jié)約空間。此外該技術(shù)具有克服塌孔因素、克服人為因素的優(yōu)點，可以探明未知地質(zhì)構(gòu)造，為后續(xù)安全生產(chǎn)提供保障。