瞬變電磁法在超前探測(cè)頂板富水?dāng)鄬又械膽?yīng)用

尹彬彬

摘 要：針對(duì)掘進(jìn)工作面前方隱伏導(dǎo)（含）水構(gòu)造可能導(dǎo)致突水事故的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)例介紹了瞬變電磁法超前探測(cè)技術(shù)，并在某煤礦E1315工作面皮帶巷溫度異常段進(jìn)行應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明，富水?dāng)鄬优c巷道頂板最小距離為45m。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；富水區(qū)域；水文地質(zhì)探測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.256

煤炭開(kāi)采引起的開(kāi)采擾動(dòng)、頂板斷裂均可能導(dǎo)致工作面頂板產(chǎn)生裂隙，形成導(dǎo)水通道。當(dāng)導(dǎo)水通道與上方水源（地表水、老空水、砂巖水等）溝通時(shí)，大量水涌入工作面，造成頂板突水事故。我國(guó)華北東部礦區(qū)經(jīng)常面臨工作面回采時(shí)煤層頂板砂巖涌水問(wèn)題，容易影響生產(chǎn)甚至出現(xiàn)安全事故。為減小頂板出水影響，回采前需要打鉆放水，但由于砂巖水的不均勻性，往往干孔較多，打鉆放水常常效果不佳。為減少鉆探工作量，增強(qiáng)放水效果，一般采取先用礦井瞬變電磁多方位定向探測(cè)技術(shù)查明工作面頂板采動(dòng)影響范圍內(nèi)相對(duì)富含水區(qū)，然后針對(duì)富水區(qū)進(jìn)行打鉆放水，以保證工作面的安全回采，防治煤礦突水事故的發(fā)生。

1 地質(zhì)概況

某煤礦E1315工作面北部存在F11斷層，地質(zhì)構(gòu)造預(yù)計(jì)較簡(jiǎn)單。E1315皮帶巷在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)P5經(jīng)緯儀點(diǎn)向上40～80米的范圍內(nèi)存在溫度異常，即該段巷道內(nèi)溫度明顯較低。根據(jù)相關(guān)研究[1]，當(dāng)巷道出現(xiàn)明顯的溫度異常時(shí)，其頂板或底板巖層中一般分布有含水構(gòu)造帶，如果未及時(shí)采取恰當(dāng)?shù)拇胧浅Ｈ菀自斐赏凰鹿实陌l(fā)生。因此，需要采用瞬變電磁法探測(cè)來(lái)探測(cè)該范圍內(nèi)巷道周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造異常的具體位置，為防治水工作提供詳細(xì)的技術(shù)資料。

2 瞬變電磁法多方位定向施工技術(shù)

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），也可以稱(chēng)為時(shí)間域電磁法。這種方法的原理是利用不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向特定方向發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，然后利用線(xiàn)框或接地電極接收由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)的反饋信號(hào)，觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的變化特征，得出異常區(qū)域的導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)定位，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的[2]。在巷道掘進(jìn)中，掘進(jìn)迎頭前方的地質(zhì)構(gòu)造或富水區(qū)域及導(dǎo)水通道等地質(zhì)異常區(qū)域往往對(duì)施工安全造成很大隱患，因此，應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行超前探測(cè)可以提前掌握巷道前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，對(duì)于保障掘進(jìn)安全具有重大意義。

本文采用TERRA-TEM型瞬變電磁儀（產(chǎn)地：Australia）作為施工儀器實(shí)施瞬變電磁法探測(cè)。根據(jù)操作規(guī)程和巷道生產(chǎn)技術(shù)條件，回線(xiàn)裝置尺寸為2m×2m的矩形，布線(xiàn)方式為多匝數(shù)重疊布置。測(cè)點(diǎn)布置在該礦E1315工作面皮帶巷內(nèi)，測(cè)點(diǎn)間距10m，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度180m。需注意巷道底板有鐵軌，巷道的頂板和兩側(cè)為金屬錨網(wǎng)支護(hù)。采用多方位定向探測(cè)方式[3]，即在測(cè)量過(guò)程中向巷道底板和巷道頂板兩個(gè)方向探測(cè)。因此，在探測(cè)頂板巖層時(shí)，需要將線(xiàn)框裝置盡可能布置在高處，最好緊挨頂板表面；在探測(cè)底板巖層時(shí)，將探測(cè)線(xiàn)框平行放置在底板上，如圖1所示。

3 探測(cè)結(jié)果分析

基于采集的原始數(shù)據(jù)，繪制多測(cè)道剖面圖，以便直觀、定性地反映出電性參數(shù)在橫向上的變化規(guī)律。圖2為在E1315工作面皮帶巷溫度異常段的多測(cè)道剖面圖，其中，圖2（a）探測(cè)對(duì)象為巷道底板巖層，圖2（b）探測(cè)對(duì)象為巷道頂板巖層。

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含水區(qū)等地質(zhì)異常區(qū)域位于掘進(jìn)迎頭正前方時(shí)，反饋信號(hào)會(huì)在晚期時(shí)間段出現(xiàn)異常響應(yīng)，在多測(cè)道剖面圖中一般如“雙峰”狀；當(dāng)含水區(qū)位于迎頭前方其它方位時(shí)，一般是指向地質(zhì)異常區(qū)域探測(cè)方向的響應(yīng)最強(qiáng)。從圖2（a）中可知，由受巷道底板上鐵軌的影響，各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)道的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值相對(duì)較高，但在橫向無(wú)變化。而在巷道頂板探測(cè)的多測(cè)道剖面圖（圖2（b））中，8～12測(cè)點(diǎn)之間存在異常響應(yīng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值變化明顯。由上述分析可知，巷道底板不存在含水地質(zhì)構(gòu)造，而頂板可能存在含水地質(zhì)構(gòu)造。

由于地下介質(zhì)的非均質(zhì)性，地質(zhì)異常區(qū)域引起的響應(yīng)區(qū)域往往大于異常區(qū)實(shí)際范圍，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果的模糊性，只能根據(jù)異常程度大體判斷地質(zhì)異常區(qū)的位置，要想得出更精確的結(jié)論，需要使用專(zhuān)用處理軟件對(duì)巷道頂板實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算并生成TEM視電阻率曲線(xiàn)，繪制視電阻率等值線(xiàn)圖，綜合地質(zhì)資料確定含水構(gòu)造的類(lèi)型和精確位置。E1315工作面皮帶巷TEM視電阻率曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知，在23～26號(hào)測(cè)點(diǎn)（即圖2中對(duì)應(yīng)的8～12號(hào)測(cè)點(diǎn)）之間存在一個(gè)明顯的低阻異常區(qū)，到巷道頂板的最小距離為45m，解釋為頂板砂巖局部富含水，根據(jù)地質(zhì)資料確定為F17斷層，具體位置見(jiàn)圖4（a）和4（b）。另外由于巷道該段附近存在一個(gè)早期的勘探孔，由地質(zhì)資料可知，該孔封孔效果不良。因此推斷鉆孔和頂板局部砂巖水之間可能存在水力聯(lián)系，使巷道溫度明顯較低，經(jīng)頂板打鉆放水驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)論

應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)某煤礦E1315工作面皮帶巷溫度異常段巷道頂板斷層富水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，得出了富水區(qū)域的構(gòu)造為斷層，位置距巷道頂板的最小距離為45m，為采取合理技術(shù)措施提供了可靠的水文地質(zhì)資料，有效保障了巷道掘進(jìn)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉樹(shù)才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術(shù)與應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2]李貅.瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]姜志海.巷道掘進(jìn)工作面瞬變電磁超前探測(cè)機(jī)理與技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.