礦井瞬變電磁定點三維立體超前探測技術

邢修舉

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

礦井生產常遇到的導含水構造造成突水的有斷層突水、陷落柱突水、裂隙巖體突水、封閉不良鉆孔突水、煤(巖)柱突水。礦井水害是可以防治的，只要搞清礦井的充水特征，并采取適當的工程措施，不僅可以安全采出受水威脅的煤炭資源，而且能夠提高礦井防治水技術水平[1-4]。目前較有效的礦井地球物理勘查方面來說主要有以下幾種方法：礦井地震勘探、礦井電法勘探、探地雷達法、無線電波透視法、微重力測量、磁法勘探、放射性測量和紅外測溫法等多種方法[5-8]。其中礦井瞬變電磁法以其體積效應小、工作效率高、縱橫向分辨率高和對低阻反應靈敏等優點在探測煤礦巷道前方及工作面頂底板和工作面內導（含）水異常體構造中的應用越來越廣，且效果顯著[9-12]。礦井瞬變電磁法技術發展近20年來，在掘進工作面的探測技術主要是1～3扇形斷面探測，來分析前方一定體積范圍內含富水性，工作面內部或者頂底板含富水性是在該工作面2個巷道布設等間隔10～20 m的測點、每個測點布設1～4個角度進行探測，其解釋方法均是二維的斷面圖，對其探測區域內的異常區分布不能給出較準確的范圍及異常形態。對于傳統礦井瞬變電磁探測技術這些問題，通過系統的設計掘進工作面三維立體探測技術和處理顯示技術，能夠對掘進工作面前方構造異常體范圍、空間發育形態等特征形象、直觀地顯示出來，具有較好的技術指引作用。

1 瞬變電磁三維立體探測技術

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法是一種時間域瞬變電磁法，礦井中主要使用不接地磁歐源裝置形式，在1個線圈中通一間歇性電流，在間歇期間，另1個線圈接收來自發射線圈激發煤層及周圍巖體產生的二次場電磁感應信號，該信號的信息是掘進工作面（回采工作面側幫）附近煤層、巖層等地質體的綜合信號響應，結合已知地質情況，通過對信號的分析來達到分辨掘進工作面（回采工作面內部）前方地質體內含水構造的規模及賦存形態等情況。多匝小回線裝置可以最大限度地靠近目標體進行多角度、多方位的探測這也是其具有一定方向性的依據。由于巷道全空間影響，測量的電磁感應信號為巷道掘進工作面頂板、底板、掘進工作面前方及后方周圍空間的綜合電磁感應，巷道內瞬變電磁響應可近似等效為同時向上、向下及向外擴散電流環，即雙“煙圈效應”，掘進工作面瞬變電磁煙圈效應示意圖如圖1。

圖1 掘進工作面瞬變電磁煙圈效應示意圖

1.2 定點三維立體探測技術

掘進工作面三維探測的定義：通過使用邊長為2 m的多匝方形收發裝置在距離掘進工作面0.4 m、距離巷道底板0.3 m的巷道中心位置，設計等間隔或者不等間隔角度的密集散點對掘進工作面前方一定體積范圍內的導含水構造體進行三維立體探測。為了更形象的對三維數據進行采集，將其分布到不同角度的扇形斷面上（圖2，可根據目標體的需要調整α與頂底板的夾角），數據剖面說明見表1。

沒有設計垂直巷道頂底板的扇形剖面，是由于在探測過程中受巷道條件該采集條件受巷道底板影響較大，在處理結果中容易出現靠近底板的假異常，給資料解釋造成困擾。

圖2 二維扇形斷面示意圖

表1 數據剖面說明

回采工作面三維探測定義：工作面形成后三維瞬變電磁探測是在該工作面2個巷道進行采集，設計間隔10 m或者20 m等間隔的測量點，在每個測量點再設計與工作面側幫成不同夾角的多個探測方向對工作面頂底板及內部的富水區分布等進行探測，最終將兩條巷道探測數據進行在同一空間坐標系下的整理，形成對工作面頂底板一定范圍內的三維立體探測。

1.3 資料處理

對于采集的原始數據導入電腦進行重復數據的挑選、剔除畸變點、數字濾波、感應電位-時間的對應關系轉換成視電阻率值-時間的對應關系、時深轉換計算每個時間道對應的深度、處理成圖。

全空間視電阻率ρτ計算公式：

式中：C為全空間校正系數；FS、JS分別為發射與接收回線等效面積；UV為接收的歸一化二次場電位；t為接收的二次場衰減時間。

全空間瞬變電磁深度Hf計算經驗公式為:

式中：n為發射線圈匝數；I為發射電流；L為發射回線邊長；ρ為t時刻計算的視電阻率；η為未供電激勵時接收回線單位面積接收到的干擾信號。

最終成果圖需將常規的二維扇形坐標轉換成三維立體坐標（x軸表示巷道掘進工作面的水平方向，m；y軸表示巷道掘進工作面沿開挖方向，m；z軸表示巷道掘進工作面垂直方向，m）。將每個點的深度-視電阻值換算成對應的扇形坐標系對應的位置，然后把多個扇面的數據離散化到對應的三維空間中，從時深反演處理得到的視電阻率深度數據轉換成三維笛卡爾坐標系下的散點數據。將整理好的三維數據體使用反向距離插值方法對所獲得的離散數據點進行插值處理，然后在三維空間內對數據進行網格化處理，最后基于所獲得的網格化數據在三維空間內進行成圖。

2 導含水構造的物理模擬

2.1 模擬原則

對于煤礦常見的導含水構造：斷層、陷落柱、構造破碎帶等地質問題，選用導電性良好的銅質物體依據一定的尺寸和這些導含水構造常見形態似模擬其三維立體空間瞬變電磁響應特征。

模擬時需在實驗室中以某種比例尺復制地質模型，實驗室模型的電學參數一般也應按一定的比例改變，觀測線圈也要微型化。電磁法的物理模擬所遵守的相似準則是從麥克斯韋方程出發推出的，對于時間域瞬變電磁場的物理模擬基本公式：

式中：σ為電導率；L為所有線型尺度；角標m表示模擬系統；角標f表示被模擬的野外系統；k為線性比例尺，又稱為縮比系數。

在模擬試驗中目的物的大小、埋深等線性尺度均應按此比例設置，小尺寸的模型需有足夠高的電導率，并滿足電導率與線型長度的平方的乘積為常數，則物理模型的響應特征與相應的實驗條件下的響應特征一致。

2.2 模擬設計

使用長方體的銅柱作為陷落柱的模型、長方體的鐵塊作為斷層和含水破碎帶，異常體參數見表2。

表2 異常體的參數

模擬實驗選用澳大利亞生產的Terra TEM儀器，該儀器可以在安全發射電流內任意匹配響應的收發裝置。收發線圈主要由框架和多匝回線圈組成，采用中心回線裝置形式，其中天線框架采用透明的有機玻璃板制作而成。發射線圈及接收線圈均采用直徑0.45 mm規格銅質漆包線，發射線圈為邊長20 cm方形、30匝，接收線圈為邊長4 cm方形、100匝。

2.3 模擬結果

銅柱距離探測位置25 cm視電阻率等勢面三維空間顯示圖如圖3。圖3中，探測角度 1、2、3、9、10、11號探測方向在視電阻率等勢面空間異常凸顯沒有顯示，也就是這6個探測方向探測不到掘進工作面正前方的異常體。從4號與8號探測方向開始，響應幅值開始增強，5～7號探測方向上的響應幅值最強。根據這一響應規律，可以判斷4～8號探測方向均能探測到掘進工作面正前方的異常體，響應幅值的強弱決定于線圈與異常體的耦合程度，當線圈法線方向垂直指向異常體時，一次場與異常體的耦合最強，此時激發的二次場響應也最強，如5～7號探測方向；當線圈旋轉，其法線方向開始偏離異常體時，一次場與異常體的耦合程度減弱，相應接收到的二次場響應幅值減弱，如2、3、9、10號探測方向。

圖3 視電阻率等勢面三維空間顯示圖（銅柱距離探測位置25 cm）

銅柱距離探測位置45 cm視電阻率等勢面三維空間顯示圖如圖4。圖4顯示的響應規律與圖3幾乎一致，只是響應的異常幅度較圖3弱，整體的響應規律一致。模擬斷層及破碎帶的響應規律異常等勢面圖如圖5，整體的響應規律與圖3、圖4一致，但在縱向響應范圍發生一定的變化，在橫向響應的范圍也變大，與實際設計的板狀體范圍一致。

圖4 銅柱距離探測位置45 cm視電阻率等勢面三維空間顯示圖

圖5 視電阻率等勢面三維空間顯示圖（鐵板距離探測位置45 cm）

通過異常地質體不同空間位置的瞬變電磁響應物理模擬，可以直觀的得到如下結論：

1）從圖3～圖5中可以看出，當收發裝置正對著異常體時，其視電阻率值最低，當收發裝置偏離異常體時，視電阻率開始變大，異常幅度變弱；異常體不在收發裝置探測范圍時，視電阻率等值較高。這也說明了小線圈瞬變電磁探測具有一定的方向性。

2）從圖3～圖5中可以看出，異常的形態和設置的異常形態有一定的區別，但異常的中心位置一致。說明瞬變電磁探測成果的異常邊界范圍與實際的會有一定的誤差，但異常響應的中心位置準確。

3）從圖3～圖5中可以看出，異常的閾值與設置的實際視電阻率值有較大區別，說明瞬變電磁探測視電阻率值是綜合的地電反應，異常閾值的選擇應根據探測區域的地質條件綜合情況來選取。

3 應用實例

平朔井工一礦是平朔集團的主力生產礦井，19108工作面是太西采區9煤組第3個工作面，工作面長度3 130 m，寬度300 m。19108工作面頂底板主要含水、隔水層及與9煤層的位置關系示意圖如圖6。19108工作面頂板的直接充水含水層為4煤與9煤之間砂巖含水層，根據9煤層平均13.62 m的厚度計算，預計垮裂高度85 m，工作面上部為14108工作面采空區，距離9煤平均50 m，受采動影響，上部K3等砂巖含水層通過垮落裂隙帶影響19108工作面，特別是在普23孔向斜軸部易形成4煤采空區積水危險區。底板含水層有K2砂巖層，奧灰巖含水層等，井田內奧灰水位標高為1 060 m，工作面整體標高低于奧灰水位，屬帶壓開采，在大的斷層構造及可能存在的陷落柱區域存在導通奧灰含水層，出現突水的危險。

圖6 19108工作面頂底板主要含水、隔水層與9煤層的位置關系示意圖

根據前期19108工作面的音頻電穿透物探異常區的鉆探驗證，在工作面靠近輔運巷的F17測量點向西15～45 m，工作面內30～70 m范圍，打鉆出水量大，出水來源不明，鉆孔設計及鉆探情況見表3，由于屬于帶壓開采，存在底板奧灰含水層突水隱患。現用三維瞬變電磁法對打鉆出水地點進行探測，來查明該區域異常體的范圍和在煤層頂底板的分布情況。

表3 鉆孔設計及鉆探情況

依據打鉆出水情況，物探施工設計：①在19108輔運巷的F17測量點以該測量點為中心，以間隔5 m為1個測量點向東西方向各進行20個測量點，在每個測量點設計仰角20°、10°，順煤層，俯角10°、20°、30°、40°、50°等共計 8 個探測方向；②在 19108輔運巷的F17測量點向西30 m的避車硐室設計扇形超前探測，共設計仰角30°、15°，順煤層，俯角15°、30°、45°、60°等探測角度。

沿19108輔運巷側幫探測和避車硐室扇形超前探測綜合處理后的異常空間正視圖如圖7。從圖7可以看出，該異常成錐狀形態，發育到煤層頂板上方15 m尖滅，在探測區域內發育到地板下50 m范圍仍然在發育，其形態與陷落柱一般發育形態吻合。

圖7 綜合探測結果視電阻異常體等勢面正視圖

資料提交后，礦方經過加孔疏放和注漿加固底板等工作，現該工作面已順利越過該陷落柱，依據回采情況，順煤層陷落柱的范圍與瞬變電磁法探測水平切片范圍基本一致（圖8）。說明對于超寬工作面內部的導含水構造，特別是陷落柱等使用音頻電穿透進行普查，根據鉆探資料再使用礦井瞬變電磁定點三維探測法進行詳查的組合方法對該類問題的有效性，為物探方法的合理使用和對該類問題的提前探測提供了良好的技術參考。

圖8 綜合處理后視電阻率等勢面順煤層切片圖

4 結論

1）設計掘進巷道和回采工作面的瞬變電磁定點三維立體探測，能夠對探測區域內的含富水性進行三維空間探測。

2）通過對陷落柱、導含水斷層和破碎帶的三維物理模擬，三維立體空間等勢面圖顯示出多匝小回線具有較好的方向性，探測結果能夠較準確地將設置的異常范圍及空間位置顯示在三維空間圖中。

3）在井工一礦的應用結果顯示，定點三維瞬變電磁探測能夠較準確的顯示工作面內部的隱伏陷落柱三維空間形態，為煤礦水文地質災害超前探測提供了一種有效的技術手段。