電磁波透視與瞬變電磁在回采面中的聯(lián)合應(yīng)用

韓文武

(陽泰集團(tuán)實(shí)業(yè)有限公司，山西 晉城 048100)

0 引言

水害作為煤礦五大災(zāi)害之一，一直以來阻礙著煤礦的安全生產(chǎn)[1]。尤其是近年來，隨著煤礦開采深度的加深，煤層開采過程中不僅面臨著底板奧灰水的突水危險(xiǎn)，同時(shí)受頂板上部水害的威脅而日益嚴(yán)重[2]。因此，在巷道掘進(jìn)和工作面回采前查明煤層及頂?shù)装搴畻l件，對(duì)于安全生產(chǎn)至關(guān)重要。目前，對(duì)于煤礦水害的探查，主要依賴直流電法、高密度電法和瞬變電磁技術(shù)等電磁法類物探方法[3]。電磁法類物探技術(shù)對(duì)于富水體的低阻特征響應(yīng)明顯，可有效劃分含水區(qū)域，尤其是瞬變電磁法憑借其方便、快捷的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于井下采空區(qū)積水、底板突水區(qū)、頂板裂隙含水區(qū)及其它含水地層的探測(cè)[4]。但是對(duì)于含水區(qū)域與構(gòu)造因素的關(guān)聯(lián)系不能直接的識(shí)別，僅依賴于地質(zhì)分析。而電磁波透視可識(shí)別工作面內(nèi)部斷層、陷落柱、夾矸、煤層變薄帶、瓦斯富集區(qū)等地質(zhì)異常體的分布特征[5]。因此，可綜合利用電磁波透視和瞬變電磁2種物探技術(shù)以探查煤層內(nèi)部、頂板構(gòu)造及頂板含水區(qū)域。即先期利用電磁波透視以查明工作面內(nèi)部的構(gòu)造分布情況，再利用瞬變電磁以查明這些構(gòu)造在煤層及頂?shù)装宸较虻暮浴；诖怂悸罚谏轿魑黢T街煤礦某工作面開展了應(yīng)用試驗(yàn)，以探討其應(yīng)用的可能性，從而推廣應(yīng)用至煤礦生產(chǎn)一線。

1 電磁波透視與瞬變電磁基本原理

1.1 電磁波透視基本原理

電磁波透視技術(shù)，又稱無線電波透視，其利用電磁波在煤礦傳播中的衰減分布情況來識(shí)別煤層中的構(gòu)造異常分布情況。即電磁波在煤層傳播過程中遇到斷層、陷落柱、夾矸、煤層變薄帶和瓦斯富集區(qū)等異常地質(zhì)體時(shí)，受反射、折射及吸收作用，其場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度出現(xiàn)衰減，如圖1所示，特定頻率下的接收電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為[5-6]

圖1 電磁波透視原理示意

(1)

式中，H—接收?qǐng)鰪?qiáng)值；H0—發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)值；β—電磁波衰減系數(shù)；r—發(fā)射-接收長度；θ—接收點(diǎn)相對(duì)發(fā)射點(diǎn)偏移角。其中，電磁波衰減系數(shù)β因地質(zhì)體差異性而不同，根據(jù)接收?qǐng)鰪?qiáng)值即可反演出電磁波衰減情況，即衰減成像，根據(jù)衰減成像圖以及接收衰減曲線可判定異常的分布范圍和類型。

1.2 瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法也是一種電磁法物探技術(shù)，其利用發(fā)射天線向探測(cè)目標(biāo)前方發(fā)射瞬間一次電場(chǎng)，在關(guān)斷電流的瞬間產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)遇到前方地質(zhì)體產(chǎn)生感應(yīng)二次電場(chǎng)，利用接收天線，接收該感應(yīng)二次電場(chǎng)，通過接收不同時(shí)刻的感應(yīng)二次電場(chǎng)即得到二次場(chǎng)隨時(shí)間的衰減曲線。根據(jù)衰減曲線可反演得到探測(cè)前方的視電阻率分布情況。不同的地質(zhì)體，其感應(yīng)有所差異，呈現(xiàn)為不同的衰減特征，均勻介質(zhì)其衰減曲線為一斜直線，高阻體為下凹趨勢(shì)，低阻體為上凸趨勢(shì)[7]，如圖2所示。

圖2 瞬變電磁原理示意

瞬變電磁在煤礦井下屬于全空間場(chǎng)域，即全空間響應(yīng)，則全空間反演的視電阻率為[8-10]

(2)

式中，C—全空間響應(yīng)系數(shù)；μ0—磁導(dǎo)率；t—二次場(chǎng)衰減時(shí)間；N—線圈匝數(shù)；V/I—?dú)w一化二次場(chǎng)電位值；S—接收回線線圈面積。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

工作面概況：本次試驗(yàn)工作面位于山西西馮街煤礦3號(hào)煤層四盤區(qū)，切眼至停采線走向長720 m左右，傾向長200 m。主采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚5.93～6.73 m，平均厚6.22 m。含0～2層夾矸，矸厚0.02～0.75 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均傾角為3°。直接頂板多為粉砂巖、泥巖，均厚1.5 m，直接頂下常有0.10～0.20 m的炭質(zhì)泥巖或灰色泥巖偽頂，老頂為灰色細(xì)粒砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，均厚1.35 m。工作面雙巷掘進(jìn)過程中，揭露頂?shù)装鍘r層均較軟弱，且節(jié)理較為發(fā)育，局部揭露小斷層發(fā)育，未見陷落柱。已探明斷層有5條，進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)揭露F1∠58°H=1.3 m、F2∠55°H=0.7 m、F3∠60°H=1.7 m、F4∠50°H=26 m共4條斷層，運(yùn)輸巷掘進(jìn)揭露F5∠83°H=1.8 m。

主要含水層：煤層上覆存在第四系松散沉積物孔隙含水層，二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層組。未見采空區(qū)積水，兩巷道局部存在頂板滴水現(xiàn)場(chǎng)。其礦井充水水源主要為大氣降水、地表水和煤層上覆含水層裂隙水。導(dǎo)水通道有斷裂帶、裂隙等天然通道，也有采煤后形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶等人為通道，還包括在水壓力作用下突破煤巖層隔水層所形成的導(dǎo)水通道等。可見，該工作面水害主要以頂板裂隙水為主。

2.2 電磁波透視試驗(yàn)

定點(diǎn)掃描：根據(jù)工作面具體情況，采取定點(diǎn)掃描法，即將發(fā)射機(jī)工作面一側(cè)巷道相對(duì)固定，接收機(jī)在另一對(duì)應(yīng)巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)接收其場(chǎng)強(qiáng)值的一種工作方法。測(cè)點(diǎn)間距為10 m，發(fā)射點(diǎn)間距為50 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收測(cè)量點(diǎn)。其中進(jìn)風(fēng)巷長720 m，布置23個(gè)發(fā)射點(diǎn)、73個(gè)接收點(diǎn)，停采線位置為0號(hào)點(diǎn)；運(yùn)輸巷長750 m，布置23個(gè)發(fā)射點(diǎn)、76個(gè)接收點(diǎn)，停采線位置為0號(hào)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)處理：采集的電磁波透視數(shù)據(jù)經(jīng)過室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，得到電磁波衰減系數(shù)層析成像成果圖，如圖3所示。整個(gè)工作面總體上電磁波衰減系數(shù)β在0.32～0.43范圍之間。結(jié)合已揭露地質(zhì)資料和探測(cè)成果，將衰減系數(shù)在0.40～0.43范圍定義為相對(duì)衰減區(qū)，其他為相對(duì)正常區(qū)域。為突出衰減區(qū)域，特將相對(duì)正常區(qū)域顏色去掉留白，黑色區(qū)域即為相對(duì)衰減區(qū)域，且顏色越黑衰減越嚴(yán)重。

圖3 電磁波透視成果

斷層分析：整個(gè)工作面共劃分出4個(gè)電磁波相對(duì)衰減區(qū)，自切眼向停采線方向分別定義為K1、K2、K3和K4。其中K1區(qū)域在巷道掘進(jìn)過程中揭露一斷距1.8 m的小斷層F5，即該區(qū)域?yàn)閿鄬影l(fā)育區(qū)域。K2、K3區(qū)域巷道均未見其它地質(zhì)異常揭露，根據(jù)其長條形分布，推測(cè)K2為小斷層或裂隙發(fā)育，K3區(qū)域衰減嚴(yán)重、范圍大，推測(cè)其斷距相對(duì)較大，對(duì)回采影響相對(duì)偏大。K4區(qū)域巷道揭露了K1、K2這2條1.3 m和0.7 m的小斷層F1、F2，即該區(qū)域?yàn)閿鄬影l(fā)育區(qū)域。

2.3 瞬變電磁試驗(yàn)

測(cè)點(diǎn)布置：根據(jù)回采工作面煤層傾角較小的條件，近似水平狀態(tài)，為探測(cè)工作面煤層內(nèi)部及頂板巖層含水條件，并兼顧底板含水條件。在進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷均設(shè)計(jì)了底板30°、水平0°、頂板向上30°、頂板向上45°、頂板60°、頂板90°，每個(gè)測(cè)點(diǎn)共計(jì)6個(gè)方向，如圖4所示。為更好的結(jié)合電磁波透視結(jié)果進(jìn)行后期綜合分析，測(cè)點(diǎn)間距和電磁波透視保持一致，即進(jìn)風(fēng)巷73個(gè)測(cè)點(diǎn)、438個(gè)物理點(diǎn)，運(yùn)輸巷76個(gè)測(cè)點(diǎn)、456個(gè)物理點(diǎn)，共計(jì)149個(gè)測(cè)點(diǎn)、894個(gè)物理點(diǎn)。

圖4 瞬變電磁探測(cè)方向示意

繪制視電阻率剖面圖：瞬變電磁數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到12張不同探測(cè)方向的視電阻率剖面圖。12個(gè)不同方向的視電阻率數(shù)據(jù)可抽取底板-20 m、煤層、頂板+20 m、頂板+40 m、頂板+60 m和頂板+80 m等不同深度的視電阻率分布切片。運(yùn)輸巷頂板30°和頂板20 m深度切片的視電阻率分布圖分別如圖5、6所示。

圖5 回采工作面運(yùn)輸巷向上30°方向視電阻率剖面

瞬變電磁解釋：在瞬變電磁解釋時(shí)，以“水文地質(zhì)研究與物探資料解釋相結(jié)合，定性解釋與定量解釋相結(jié)合”的基本原則，采用綜合處理與解釋互動(dòng)，減少多解性，提高解釋可靠性。同時(shí)，排除受關(guān)斷效應(yīng)和近場(chǎng)區(qū)的影響，根據(jù)視電阻率值相對(duì)高低，來判定地層的含水性。通過2條巷道各自6個(gè)探測(cè)方向的視電阻率剖面圖的橫向?qū)Ρ确治觯瑓⒖家酝綔y(cè)經(jīng)驗(yàn)確定劃分水文異常的視電阻率閾值。閾值的確定應(yīng)參考圍巖背景值以及電阻率與含水率的關(guān)系等因素，需要綜合考慮到異常區(qū)的范圍大小、視電阻率大小、水文地質(zhì)條件等因素。綜合各種因素，把視電阻率值低于35 Ω·m判定為瞬變異常區(qū)，作為重點(diǎn)防治水區(qū)域。

圖6 回采工作面頂板+20 m視電阻率切片

斷層分析：根據(jù)各方向視電阻率斷面圖及工作面頂?shù)装宀煌疃纫曤娮杪是衅Y(jié)合地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)巷道實(shí)際情況綜合分析可知回采工作面煤層及頂板含水性。各探測(cè)方向整體上看視電阻率值相對(duì)偏高，低視電阻率分布不明顯，局部數(shù)據(jù)離散，探測(cè)范圍內(nèi)煤巖體富水性相對(duì)較弱。整個(gè)工作面共識(shí)別4處視電阻率值低阻異常區(qū)，自切眼向停采線方向分別定義為Y1、Y2、Y3和Y4，如圖7所示。其中，Y1受切眼處回采機(jī)械設(shè)備干擾而產(chǎn)生的低阻異常體，且未見電磁波透視衰減，則分析其含水可能性較小。Y2處有小斷層F5揭露，電磁波透視也存在衰減現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)應(yīng)電磁波衰減區(qū)K2，故推測(cè)該區(qū)域應(yīng)存在小斷層或裂隙帶，且存在一定的富水性。Y3同Y2相似，雖巷道未揭露異常地質(zhì)體，但存在電磁波強(qiáng)衰減區(qū)K3，故推測(cè)該區(qū)域應(yīng)存在導(dǎo)水?dāng)鄬樱诨夭蛇^程中需要重點(diǎn)關(guān)注。Y4處揭露2條小斷層且與電磁波衰減區(qū)K4一致，巷道頂板存在滴水現(xiàn)場(chǎng)，因此推測(cè)其為上覆地層在斷層處的滲流水，但巷道已掘進(jìn)揭露該斷層，故分析其突水威脅性不大。此外，電磁波衰減區(qū)K1未見瞬變電磁異常，故分析該處揭露的斷層不導(dǎo)水。

圖7 回采工作面瞬變電磁探測(cè)成果

2.4 鉆孔探查

為進(jìn)一步驗(yàn)證電磁波透視和瞬變電磁的探測(cè)結(jié)果，針對(duì)Y1、K1、Y2(K2)、Y3(K3)、Y4(K4)5處異常進(jìn)行鉆探，以查明地質(zhì)和水文條件。Y1在運(yùn)輸巷71號(hào)點(diǎn)處垂直工作面、30°傾角的鉆孔，鉆進(jìn)50 m未見涌水，與探測(cè)結(jié)果一致，屬于設(shè)備干擾的低阻異常。K1在運(yùn)輸巷66號(hào)點(diǎn)處垂直工作面、水平鉆進(jìn)30 m未見流水，但見矸，屬于鉆遇小斷層。Y2(K2)在運(yùn)輸巷52號(hào)點(diǎn)處垂直工作面、水平鉆進(jìn)23 m出現(xiàn)流水、煤層破碎，驗(yàn)證了該處存在導(dǎo)水裂隙帶。Y3(K3)在進(jìn)風(fēng)巷39號(hào)點(diǎn)處垂直工作面、水平鉆進(jìn)36 m出現(xiàn)流水，鉆進(jìn)52 m處見矸石，屬鉆遇斷層，驗(yàn)證了該處存在導(dǎo)水?dāng)鄬拥奶綔y(cè)結(jié)果。Y4(K4)在進(jìn)風(fēng)巷29號(hào)點(diǎn)處垂直工作面、水平鉆進(jìn)17 m見矸石，即鉆遇F1斷層，而且存在流水現(xiàn)場(chǎng)，即該斷層對(duì)于上覆含水層具有一定的輸導(dǎo)作用，其與探測(cè)結(jié)果相一致。

3 結(jié)語

通過電磁波透視與瞬變電磁基本原理分析和實(shí)際探查，并經(jīng)5處鉆孔施工，進(jìn)一步驗(yàn)證了前期電磁波透視與瞬變電磁聯(lián)合探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。電磁波透視與瞬變電磁法的聯(lián)合應(yīng)用，可有效探查回采工作面中的斷層、裂隙帶等地質(zhì)異常體，并可判斷其富含水性，對(duì)于導(dǎo)水?dāng)鄬印?dǎo)水裂隙帶定位準(zhǔn)確、快捷。可很好為工作面回采提供安全指導(dǎo)，從而降低地質(zhì)災(zāi)害和水害等災(zāi)難，為煤礦安全生產(chǎn)及發(fā)展提供技術(shù)支持，值得推廣應(yīng)用于生產(chǎn)一線。