瞬變電磁法在礦井水害預測防治中的應用

馬延君 孟 明

（1.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.北京中地英捷物探儀器研究所，北京 102200）

礦井水害長期以來一直制約著我國煤礦資源的安全高效開采，煤層底板突水或老空區出水淹井事故時有發生。超前探測巷道掘進前方及工作面頂底板巖層中的水害源的位置和水量狀況，對減少或杜絕巷道掘進以及工作面頂底板水害事故的發生具有重要意義。作為一種非接觸式的快速勘探技術，多匝小回線裝置形式的礦井瞬變電磁法在井下巷道內直接采用線圈來探查其周圍空間異常富水體，既適合井巷條件又克服了接地條件對探查結果的影響，在礦井水害的超前探測中應用非常廣泛。為此，筆者在山東某礦底板富水性的超前預報中采用了礦井瞬變電磁法，對該礦3702 工作面未采區底板含水巖層富水情況進行了探測，探測結果與鉆探驗證結果基本吻合，取得了良好的應用效果。

圖1 軌道巷90°方向電阻率色譜斷面圖

圖2 軌道巷30°方向電阻率色譜斷面圖

圖3 軌道巷45°方向電阻率色譜斷面圖

1 井田地質地球物理特征

井田為全隱蔽的華北型石炭、二迭系煤田。煤系以中、下奧陶地層為基底，沉積了中石炭統本溪組、上石炭統太原組、下二迭統山西組、下石盒子組，上二迭系上石盒子組，其上覆蓋是第三系和第四系。井田構造為一走向北東，傾向北西的單斜構造，傾角一般5～8°，部分地層（13 層煤露頭部位及深部）大于10°，三維區主體為一寬緩的單斜構造形態，地層傾角一般為4～7°，淺部地段可達15°。次一級褶曲不甚發育，有三層巖漿巖侵入，構造復雜程度中等。主要斷層為F15，走向北北東，傾向北西西，落差較大；另外區內還有一定數量的較小斷層。井田巖漿巖侵入的厚度、范圍和侵入層位較大，而且在山西、太原組煤系地層中基本形成三層侵入巖床，活動較強烈，對煤層、煤質均有相當大的影響。井田含煤地層為上石炭統太原組和下二迭統山西組，平均總厚度260.85m，井田可采煤層及局部可采煤層5 層。

3702 工作面底板巖層主要為粉砂巖、細砂巖，威脅7 煤安全開采的主要含水層為巖漿巖含水層，當巖層裂隙發育，結構破碎且不含水時將呈現比正常巖層電阻率高的電性特征；若裂隙、構造破碎帶中含礦井水，由于礦井水的礦化度較高，測量電阻率值將明顯低于正常巖層的電阻率，呈現低電阻率異常特征，其低阻異常程度取決于巖層中富水程度。

在斷層發育區，斷層破碎帶與正常地層在電性上具有明顯差異，當斷層破碎帶不含水時，將呈現高電阻率特征，而當斷層破碎帶含水時，將呈現出低電阻率特征。

據此，通過瞬變電磁測深法探測煤層頂底板巖層電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態和富水性，這是本次瞬變電磁法探測巖層富水性的物理前提。

2 工作方法與技術

圖4 3702 工作面底板下30 米（a）、60 米（b）、80 米（c）視電阻率順層切片圖

礦井瞬變電磁探測采用的儀器為加拿大PROTEM-47 型瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點。數據采集由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現數據回放。由于探測采用小線框，點距可以根據勘探任務要求變化。實際測量時，采用多匝線框，在巷道側幫測量時，線框平面可根據探測任務的要求設計相應探測方向。發射線框和接收線框分別為匝數不等、且完全分離的兩個獨立線框，以便與地下（前方）異常體產生最佳耦合響應。若發射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布；若發射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測巷道側上方頂板或側下方底板一定范圍的電阻率分布，根據電阻率分布情況推斷頂板或底板巖層的富水性。

為了使探測范圍能夠全部或基本全部覆蓋3702 工作面底板富水范圍，滿足探測地質任務的要求，根據3702 工作面實際采掘條件，在3702 工作面軌道巷和運輸巷各設計了90°、45°、30°（發射線圈平面法線方向與水平面的夾角）3 個不同的探測方向，基本上覆蓋了3702 工作面底板深度100m 內的范圍。

本次探測軌道巷3 個探測方向的點距20m，測線長度930m；運輸巷點距20m，測線長度850m。礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數小回線測量裝置，通過現場試驗確定裝置參數為：回線邊長1.5m×1.5m；回線匝數84 匝；采用30 門模式，重復頻率25Hz；延遲時間6μs；發射電流：2.9～3.1A；測量裝置選擇偶極測量裝置。

3 數據處理

數據處理分為預處理和解釋處理。預處理包括數據轉換與質量檢查、極性校正、測線和測點編輯、磁場計算等（即由磁場變化率Bz/T 求取Bz，Bz 是磁場的垂直分量）等，解釋處理包括計算全程視電阻率、一維反演計算、電阻率成像變換、擬二維電阻率剖面和電阻率順層切片等，并將數據轉換為Surfer 繪圖軟件所需的格式，利用Surfer 軟件繪制TEM 各探測方向二維電阻率剖面圖以及電阻率順層切片平面圖。

4 成果分析

4.1 探測方向電阻率剖面圖

探測方向電阻率剖面圖是通過視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換后形成的擬二維電阻率剖面圖，電阻率色譜變化反映了測線沿探測方向的電阻率分布特征，并根據其分布特征進行水文地質解釋。因井下巷道中金屬支架和軌道的影響，反演電阻率值將小于實際地層的電阻率值，但這種影響在大部分測段具有統一性，可作為系統偏差來考慮，不影響通過電阻率的相對變化的大小進行地層富水性解釋。下面以軌道巷探測方向視電阻率剖面圖（圖1、2、3）為例進行詳細分析。

從探測方向視電阻率剖面圖來看，結合已知信息，3702 工作面底板富水主要是由于巖漿巖富水所致。其中相對較強富水區段為圖中虛紅線包圍區域推測是由于巖漿巖破碎所致；中等富水區段為紫實線和虛紅線中間范圍；其余區段電阻率相對較高，推斷砂巖富水性相對較弱。在軌道巷90°探測方向30-80 米發現富水相對較強的條帶1 個；在軌道巷45°探測方向發現富水較強的區域4 個，分別標注為A1、A2、A3、A4，但異常范圍較小；在軌道巷30°探測方向發現富水較強的區域5個，大部分連續性較好，推斷在該層位距離軌道巷較近的區域富水程度較高。

4.2 目的層視電阻率等值線切片圖

根據各剖面圖目的層電阻率的分布形態，影響3702 工作面安全開采的突水威脅主要為底板的巖漿巖富水，考慮到地層傾向變化，因此電阻率順層切片圖數據取自軌道巷和運輸巷各自的三個探測方向（90°、45°、30°），分別為底板下30米、60 米和80 米。該順層切片圖（圖4）反映了巖漿巖在工作面探測范圍內的電阻率分布特征，可以根據其分布特征進行水文地質解釋，分析3702 工作面底板下含水巖漿巖分布情況。

從3702 工作面順層切片圖來看，并結合已知信息，劃定了三類富水區域：藍色曲線圈定范圍為強富水區域，紫色曲線圈定范圍為相對強富水范圍，黃色曲線圈定范圍為弱富水區域。具體在底板下30米位置，軌道巷測線點號30-37 處強富水；在底板下60 米位置，軌道巷測線點號點0-1、6-10、14-22、25-29 這4 處位置強富水，在底板下80 米位置，運輸巷測線點號20-27 處為強富水區域。總體上來說，隨著深度的加大，強富水范圍逐漸向運輸巷方向偏移，且深部整體富水范圍較淺部為大。

結論

本次勘查以瞬變電磁法為主要技術手段，通過對其反演數據的認真分析，結合測區地質條件和鉆井資料，基本查清了3702 工作面底板的富水性。探測結果與鉆探驗證結果基本吻合，證明探測效果良好，為煤礦安全生產提供了可靠的技術支持和安全保障，說明瞬變電磁法在礦井掘進巷道前方或旁側的含水構造及巖層的含水性探測等方面的礦井水害預測防治中具有重大的實用價值。

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