千米深井全方位瞬變電磁物探技術(shù)的應(yīng)用與研究

王叢山 張 旭

（1.山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司星村煤礦，山東 曲阜 273100；2.新疆華安礦業(yè)股份有限公司，新疆 巴州 841000）

1 礦井概況

星村煤礦于2006 年建成投產(chǎn)，2020 年核定生產(chǎn)能力為90 萬(wàn)t/a。星村煤礦勘探前期通過(guò)開(kāi)展地面三維物探，基本摸清了礦區(qū)范圍地質(zhì)構(gòu)造情況，后期開(kāi)展瞬變電磁物探，通過(guò)采取巷道迎頭超前探測(cè)及工作面全方位探測(cè)相結(jié)合的方式，將井下水文特征逐步排查清楚。

2 瞬變電磁物探原理及施工布置

2.1 瞬變電磁物探原理簡(jiǎn)介

礦井瞬變電磁物探所采用原理與地面物探基本一致，但是基于井下巷道相對(duì)密閉，圍巖存在特殊的空間及位置關(guān)系，物探施工環(huán)境及操作過(guò)程對(duì)物探數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有較大影響。

瞬 變 電 磁 法(Timedomain Electromagnetic Methods)，簡(jiǎn)稱TEM，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[1]。TEM 基本工作方法是：于地面或井下設(shè)置以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場(chǎng)[2]，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減，衰減過(guò)程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度?。煌砥诔煞窒喈?dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[3]。

在煤礦巷道探測(cè)中，由于巷道是較密閉、狹小空間，其接收到二次場(chǎng)是巷道周圍有效探測(cè)范圍內(nèi)所有巖層導(dǎo)電性的綜合響應(yīng)。

2.2 設(shè)備儀器

該次瞬變電磁探測(cè)任務(wù)采用YCS512 礦用本安型瞬變電磁探水儀（接收、發(fā)射一體機(jī)），本機(jī)型是新一代探測(cè)煤礦水害物探裝備，機(jī)型具有便攜、智能的特性，數(shù)據(jù)精度更高。主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 YCS512 礦用本安型探水儀系統(tǒng)參數(shù)表

2.3 施工布置

該次瞬變電磁探測(cè)工作區(qū)域?yàn)?302 工作面，采用工作面全方位探測(cè)，即探測(cè)點(diǎn)圍繞工作面布置在軌道順槽、運(yùn)輸順槽，測(cè)點(diǎn)間隔為10 m。工作面測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1，每個(gè)測(cè)點(diǎn)探測(cè)布設(shè)6 個(gè)方向，分別為垂直工作面底板（-90°）、工作面頂板斜下方（-60°、-30°）、順煤層方向（即水平方向0°）、工作面斜上方（+30°、+60°），全方位探測(cè)工作面底板、順層及頂板富水情況，總計(jì)施工164 個(gè)點(diǎn)，總數(shù)據(jù)量984 個(gè)，總體數(shù)據(jù)情況良好。

圖1 工作面測(cè)點(diǎn)布置平面圖

3 工作面探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況

該次瞬變電磁探測(cè)干擾主要有頂板及兩幫的錨網(wǎng)、錨索、錨桿，在解譯時(shí)需進(jìn)行系統(tǒng)矯正。此次現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)物探數(shù)據(jù)存在一定的干擾，但采集信號(hào)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)廢點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)處理與解譯

通過(guò)YCS512 瞬變電磁探水儀配套解譯軟件處理井下采集的7302工作面數(shù)據(jù)，主要包括以下步驟：

1）數(shù)據(jù)的梳理及概略性分析。

2）根據(jù)探測(cè)方位、角度進(jìn)行測(cè)線編輯并重新分組。

3）根據(jù)施工參數(shù)設(shè)定X、Y、Z 坐標(biāo)并修正法向方位角、法向傾角。

4）進(jìn)行數(shù)據(jù)干擾矯正，三維反演生成工程測(cè)線立體圖[4]（圖2）。

圖2 YCS512 探水儀三維反演工程測(cè)線空間示意圖

5）按照物探設(shè)計(jì)進(jìn)行層深切片（圖3），按物探設(shè)計(jì)，以工作面所在層位為水平0 m，分別向頂板及底板做平行于工作面的層深切片，切片間隔20 m，切片深度自上而下依次為：80 m、60 m、40 m、20 m、0 m、-20 m、-40 m、-60 m、-80 m，分別導(dǎo)入surfer 生成與坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的視電阻率等值線圖，并對(duì)照色標(biāo)庫(kù)進(jìn)行上色。

圖3 YCS512 探水儀三維聯(lián)合反演層深切片圖

5 解譯結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)處理，共獲得9 幅解譯圖（圖4）。解譯圖中水平軸表示工作面的長(zhǎng)度，縱軸表示工作面的寬度，色標(biāo)軸數(shù)字越小、顏色越深，代表阻值越低。

圖4 7302 工作面瞬變電磁物探層深切片解譯圖

橫向上看，靠近切眼處（水平軸0 點(diǎn)）阻值較高，靠近運(yùn)順聯(lián)絡(luò)巷處（水平軸800 點(diǎn)）阻值較低?？v向上看，離工作面（水平0 層）越遠(yuǎn)，即越向上、向下，視電阻率數(shù)值略微偏大，這是由于瞬變電磁儀器發(fā)射的信號(hào)具有衰減性，距離越遠(yuǎn)，接收到的電磁強(qiáng)度越小，反射回來(lái)的信號(hào)也越弱，會(huì)導(dǎo)致不同深度的切片解譯圖出現(xiàn)差別。

縱觀9 幅圖，僅有一處輕微的視電阻值異常區(qū)，異常區(qū)大致位置如下：從平面上看在距離切眼640～680 m 范圍，距離運(yùn)順一側(cè)20～70 m 范圍。此處異常在工作面向上0 m、20 m、40 m 切片較明顯，其他層深切片也有輕微顯示。解譯圖中其他位置未顯示有低阻異常。

6 成果分析驗(yàn)證

為確保工作面回采的安全性，結(jié)合“三專兩探”要求，技術(shù)人員對(duì)異常區(qū)展開(kāi)深入分析，包括其地層層位特性、地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境等，并在異常區(qū)范圍設(shè)計(jì)探放水鉆孔[5]，探查前方地質(zhì)體富水特性。

6.1 異常區(qū)地層層位特性

物探施工位置為7302 工作面，該工作面煤層屬于山西組3 煤層，以過(guò)渡相沉積為主，沉積分異明顯，由砂巖、粉砂巖、粉細(xì)砂巖互層、黏土巖、煤層組成。工作面內(nèi)煤層走向N17°W，傾向S73°W，傾角3°～13°，平均6°。異常區(qū)位于工作面上方10～40 m 區(qū)域，在工作面的平面位置如圖5 所示，該處地層巖性為深灰-灰白色粉砂-中細(xì)砂巖，分選性中等，硅質(zhì)膠結(jié)。推斷該層位含水性較差，異常區(qū)受地層特性影響較小。

圖5 異常區(qū)位置及探放水鉆孔布置示意圖

6.2 異常區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

結(jié)合采掘工程平面圖及以往三維物探成果，該工作面總體構(gòu)造形態(tài)為背斜構(gòu)造，局部發(fā)育寬緩波狀褶曲，區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況屬于良好。工作面附近斷層落差均小于4.0 m，且僅有兩條斷層在工作面內(nèi)有較短延伸。SF56 斷層（落差40 m）位于工作面東北方向，但距離工作面80 m，對(duì)工作面導(dǎo)水性較弱，且無(wú)陷落柱等構(gòu)造，判斷此異常區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響較小。

6.3 異常區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，此異常區(qū)處于巖巷段，錨桿錨網(wǎng)支護(hù)細(xì)密，在異常區(qū)附近有鋼梁架棚和集中存放的變壓器開(kāi)關(guān)箱體，此類均是易導(dǎo)電物體，對(duì)電阻率干擾較大，易形成低阻異常區(qū)。

6.4 異常區(qū)鉆探驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)異常區(qū)在工作面的位置，在運(yùn)輸順槽一側(cè)設(shè)計(jì)了3 個(gè)探放水鉆孔，具體位置如圖5 所示，探放水鉆孔具體參數(shù)如表2。鉆探結(jié)果：3 個(gè)探放水鉆孔基本無(wú)水。

表2 探放水鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)及出水量

綜上，經(jīng)過(guò)對(duì)異常區(qū)地層特性、地質(zhì)構(gòu)造情況及現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境分析，初步判定該異常區(qū)為巷道施工環(huán)境所造成。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，4 個(gè)探放水鉆孔基本無(wú)水，所以綜合判定此處異常是由于巷道特殊環(huán)境所造成，非斷層富水異常區(qū)。

7 結(jié)語(yǔ)

1）該次井下施工過(guò)程中，做好技術(shù)保障措施。嚴(yán)格按照操作步驟、確定的施工參數(shù)進(jìn)行施工，測(cè)線如有畸變時(shí)必須復(fù)測(cè)，保證觀測(cè)精度符合規(guī)定。在實(shí)際探測(cè)時(shí)盡量避開(kāi)大型孤立金屬機(jī)電設(shè)備，物探施工區(qū)域排干積水，同時(shí)做好記錄，以便在資料解釋時(shí)盡量消除影響。

2）該次瞬變電磁物探解譯摒棄通常采用的二維平面解譯法，采用更高精度的三維立體解譯方式，將立體解譯圖采取切片的方式更直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，清晰明確、簡(jiǎn)單易懂。