礦井瞬變電磁法和震波單點(diǎn)法巷道勘探研究

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 超前物探工程概況

東大煤礦是晉能集團(tuán)和晉煤集團(tuán)2018 年聯(lián)合獲批的新型礦井，目前開采3#煤，巷道沿底掘進(jìn)，巖巷位于煤層下部15～20 m，主要是砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。根據(jù)現(xiàn)有已知的水文地質(zhì)條件，所規(guī)劃的井田范圍內(nèi)含水層有奧陶系馬家溝組，主要以巖溶裂隙為主的含水層；太原組含水層，根據(jù)鉆探資料推測(cè)，屬弱富水性含水層，但不排除局部富水的可能；山西組含水層主要由砂巖組成，厚度19～36 m，主要為構(gòu)造裂隙為主的含水層，為3#煤層頂板主要含水層。

由于工作面范圍含水層較多，并且新礦井地質(zhì)資料較為匱乏，為了避免安全事故發(fā)生，礦方?jīng)Q定在8-20 中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處進(jìn)行超前探測(cè)，勘查中央進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)頭前方構(gòu)造發(fā)育區(qū)域及含水體分布。

鑒于現(xiàn)場(chǎng)無大的聲波和地震波噪聲干擾，兩幫為錨桿網(wǎng)支護(hù)，迎頭處無支護(hù)影響，迎頭前方巖石較松散，并且有足夠空間進(jìn)行錘擊，決定應(yīng)用礦井瞬變電磁法和地震法兩種方法進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)巷道前方范圍為100 m。

2 超前物探的基本原理及設(shè)備介紹

2.1 礦井瞬變電磁（TEM）特點(diǎn)及設(shè)備

礦井瞬變電磁法（TEM）受礦井條件限制，在探測(cè)點(diǎn)布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和處理方面與其他探測(cè)方式有明顯區(qū)別[1-3]，有以下特點(diǎn)：

（1）礦井瞬變電磁法是根據(jù)空間的應(yīng)變響應(yīng)分析，探查的效果會(huì)受到礦井環(huán)境的影響，如礦井巷道中的金屬軌道和線框裝置，或處于較高應(yīng)力狀態(tài)的煤巖體影響，一般來說有效探測(cè)范圍約為200 m。

（2）井下瞬變電磁法使用的多匝回線裝置的邊長(zhǎng)為1.5m，裝置體積小，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，數(shù)據(jù)收集工作的效率提高，成本較低。

（3）礦井瞬變電磁法對(duì)構(gòu)造區(qū)或含水率高等高阻力區(qū)域的穿透能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)正常無異常地區(qū)的探測(cè)分辨能力較強(qiáng)，探測(cè)深度所需的極距小，故而TEM 更適應(yīng)于井下的構(gòu)造區(qū)探測(cè)。

此次探測(cè)選用的儀器為煤科院設(shè)計(jì)研發(fā)的TEM-6 大功率瞬變電磁儀，中心接收探頭為T50（等效面積為100m2））裝置，最大供電脈沖電流為1500 A?？碧窖b置主要采用重疊的回線組合方式，激發(fā)圈和接收圈均使用邊長(zhǎng)為1.5 m的正方形線圈，其中激發(fā)圈的線圈匝數(shù)為16，接收圈的線圈匝數(shù)為4。供電電流設(shè)計(jì)為60 A，數(shù)據(jù)采樣速率為16 μs，供電脈寬約10 ms。實(shí)際勘探過程中，為有效提高探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少經(jīng)過30 次疊加以提高信噪比。

2.2 震波單點(diǎn)超前探測(cè)特點(diǎn)及設(shè)備

震波單點(diǎn)測(cè)試是通過地震波自發(fā)自收的方式對(duì)巷道前方的不明地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)，即單次發(fā)射的震波反射回來的聲波有相應(yīng)的單個(gè)接收儀器，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立處理。探測(cè)主要利用不同介質(zhì)對(duì)相同地震波的波抗阻不同，其通過介質(zhì)面產(chǎn)生的反射波來探測(cè)不良地質(zhì)帶的范圍和程度[4-5]，反射波的形式為垂直反射，偏移量為0。因此，在使用震波單點(diǎn)測(cè)試時(shí)，需要盡量減小接收器和震源的距離，但需要避免兩者直接接觸。

單點(diǎn)震波探測(cè)設(shè)備選用KDZ1114-6A30 煤礦地質(zhì)勘探器，是基于震波學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，通過數(shù)值模型，算法反演和圖像處理等方法展開圖像分析，進(jìn)而解決井下掘進(jìn)范圍內(nèi)不明質(zhì)地區(qū)域的勘探難題。關(guān)于震波單點(diǎn)探測(cè)的數(shù)據(jù)處理主要是通過多次實(shí)測(cè)的勘探數(shù)據(jù)，消除干擾波后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，通過系統(tǒng)進(jìn)一步解析細(xì)化后，展示出勘探的結(jié)果。具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖1。

圖1 地震波信號(hào)處理流程圖

震波信息收集后，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除無效數(shù)據(jù)，隨后設(shè)置有效閾值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的過濾。然后通過靜校正、速度波對(duì)比、動(dòng)校正等對(duì)數(shù)據(jù)校正處理。最后通過數(shù)據(jù)疊加并通過空間混波、平滑等進(jìn)行修飾處理，通過數(shù)據(jù)覆蓋系統(tǒng)將觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，生成疊加剖面圖。

3 超前物探方案設(shè)計(jì)和施工

（1）瞬變電磁法探測(cè)施工方案：礦井瞬變電磁法的布置是在巷道迎頭處沿著巷道走向、巷道走向偏向上45°、走向偏向下30°、走向偏向下45°布設(shè)4 條測(cè)線。不斷改變系統(tǒng)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置，每條測(cè)線設(shè)11 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每條測(cè)線上的點(diǎn)間距為5 m，觀測(cè)點(diǎn)在剖面上互相平行，共計(jì)測(cè)點(diǎn)44 個(gè)。

（2）震波單點(diǎn)勘探方案：根據(jù)探測(cè)任務(wù)要求及迎頭地質(zhì)情況，本次采用震波單點(diǎn)法觀測(cè)，中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處迎頭位置共布設(shè)9 個(gè)錘擊點(diǎn)，錘擊點(diǎn)間距為5 m，每個(gè)錘擊點(diǎn)設(shè)置2 個(gè)檢波器，即每個(gè)測(cè)點(diǎn)錘擊一次，接收兩道數(shù)據(jù)，共收集18 道數(shù)據(jù)。

礦井瞬變電磁法的勘探試驗(yàn)方案、數(shù)據(jù)采集流程，嚴(yán)格按照《瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，并利用增大發(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場(chǎng)，提高探測(cè)的信噪比。震波單點(diǎn)測(cè)試法嚴(yán)格參照《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行施工和數(shù)據(jù)采集，保證了本次試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集，保證施工質(zhì)量。

4 超前物探結(jié)果綜合分析

（1）中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處瞬變電磁超前探測(cè)的4 條測(cè)線數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，共獲得實(shí)測(cè)扇形剖面4幅，選取其中掘進(jìn)方向斜向上45o方向扇形剖面、掘進(jìn)頭順層方向扇形剖面進(jìn)行分析。

剖面圖中，100 m 范圍內(nèi)淺色區(qū)域?yàn)榈碗娮杪十惓^(qū)，表明可能存在不良地質(zhì)構(gòu)造或者為富含水區(qū)，深色區(qū)域?yàn)楦唠娮杪史秶?，表示為地質(zhì)區(qū)域無異常的區(qū)域。

掘進(jìn)頭斜向上45°方向視電阻率剖面圖資料探測(cè)結(jié)果如圖2。

中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處掘進(jìn)頭斜向上45o方向探測(cè)扇形剖面（頂板+45°）沒有明顯的低阻率異常區(qū)域，只有探測(cè)區(qū)域前方15～25 m，水平方向-20～20 m 處范圍內(nèi)，存在部分電阻率較低區(qū)域。

圖2 掘進(jìn)頭斜向上45o仰角探測(cè)扇形剖面

掘進(jìn)頭順層方向視電阻率剖面圖資料的探測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 掘進(jìn)頭超前探測(cè)扇形剖面（順層）

中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處掘進(jìn)頭順層方向探測(cè)扇形剖面（順層）無明顯的低阻異常區(qū)域，但在掘進(jìn)頭正前方10～35 m 處，水平方向-20～35 m 范圍內(nèi)，存在相對(duì)低電阻率區(qū)域，可能存在構(gòu)造帶或者含水層，需要進(jìn)一步勘探驗(yàn)證。

（2）利用震波反演，將震波數(shù)據(jù)整理后，分析震波單點(diǎn)測(cè)試的結(jié)果，如圖4。

圖4 中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處震波反演圖

本次探測(cè)使用震波單點(diǎn)法，圖4 中橫坐標(biāo)表示發(fā)射時(shí)間，縱坐標(biāo)表示波的振幅，發(fā)射的地震波波速為1.8 m/ms。提取其中采集的9 組數(shù)據(jù)并擇優(yōu)使用，完全可以滿足探測(cè)要求。結(jié)果表明，中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處迎頭無明顯震波反射異常區(qū)。

本次井下物探工程采用了礦井瞬變電磁法與礦井地震法兩種方法相結(jié)合進(jìn)行綜合物探解釋，兩種方法相互疊加得到疊加成果如圖5。

圖5 地震電法成果疊加圖

瞬變電磁法與點(diǎn)震法均無明顯異常區(qū)，但應(yīng)注意瞬變電磁法迎頭前方15～45 m 處，水平方向-20～35 m 存在一處電阻率相對(duì)較低的區(qū)域。

根據(jù)地質(zhì)條件可知，3#煤層頂板是山西組含水層，主要為構(gòu)造裂隙為主的含水層。結(jié)合物探結(jié)果推測(cè)，由于該區(qū)域裂隙比較發(fā)育，導(dǎo)致局部煤層頂板出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。因此，為了保證礦方安全生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)該區(qū)域提前進(jìn)行探放水和注漿加固，預(yù)防水患事故發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）為探明東大煤礦8-20 中央進(jìn)風(fēng)大巷內(nèi)構(gòu)造區(qū)和含水情況，分析了礦井瞬變電磁（TEM）和震波單點(diǎn)超前探測(cè)的原理，并根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了相應(yīng)的探測(cè)方案。

（2）本次探測(cè)中央進(jìn)風(fēng)大巷128 m 處超前物探表明，掘進(jìn)頭前方15～45 m，水平方向-20～35 m處存在相對(duì)低電阻率區(qū)域，綜合考慮礦區(qū)水文地質(zhì)條件，需要在該區(qū)域提前進(jìn)行排水和注漿加固，防止水患等事故產(chǎn)生。