綜合物探方法在煤巷導水裂隙超前探測中的應用

郭建磊

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

隨著經濟發展，我國的大多數煤炭礦井已經進入開發的中后期，在煤礦資源開發中面臨著巷道掘進中諸如地下水、裂隙、構造破碎帶和陷落柱等復雜工作環境和技術問題，如果在巷道前方及附近存在溶洞、斷層等不良地質體，不提前進行排水、注漿等防治措施，就有可能造成塌方、淹井等災難性事件，尤其是煤巷前方的導水裂隙，因其體積小、不易引起物探異常而探測困難[1-2]。

井下物探是巷道超前探水的重要技術和應用手段，通過物探技術對巷道前方及其附近異常體進行圈定，指導鉆探施工，為煤礦防治水提供重要依據。長期以來，煤礦地質和物探工作者進行了大量的理論和實際探測研究，對多種物探技術進行了試驗和生產應用[3-10]，礦井物探技術得到了明顯提高。但是每種物探方法都具有各自的優缺點及應用條件，并且單一物探方法的多解性問題給解釋工作帶來了很大的干擾，因此采用綜合物探可以有效地消除單一物探方法多解性的影響，有利于提高探測結果的準確性，保證巷道的安全掘進[11-13]。筆者基于井工三礦39201巷道和小回溝礦2201巷道超前探測，研究了井下綜合物探方法在巷道導水裂隙超前探測中的應用效果。

1 井下超前探測技術

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁超前探測一般采用多匝小線圈在巷道前方發射一次場，一次場間歇期間利用接收探頭觀測二次場，分析二次場規律從而探測地下情況。與地面瞬變電磁法不同，礦井瞬變電磁法呈全空間分布，在線圈兩側都會產生“煙圈效應”，所得響應為如圖1所示的全空間響應。根據“煙圈效應”理論，早期瞬變電磁場主要反映距離發射線圈較近的巷道圍巖情況，晚期瞬變電磁場主要反映距離發射線圈較遠的地質情況[14]。

圖1 井下全空間瞬變電磁場的傳播Fig.1 Propagation of transient electromagnetic fields in the whole space

礦井瞬變電磁法測點布置在巷道迎頭空間位置(圖2(d))，從巷道迎頭左側開始，按一定角度旋轉線圈探測至右側，形成多角度數據采集，獲得盡可能完整的前方空間信息；調整線圈法線與巷道底板夾角的角度，探測巷道頂板、底板方向的圍巖情況(圖2(a)～圖2(c))。

圖2 礦井瞬變電磁法施工布置圖Fig.2 Mine transient electromagnetic method construction layout(a)探測巷道底板;(b)探測巷道迎頭;(c)探測巷道頂板;(d)探測角度

1.2 礦井直流電法

礦井直流電法屬于全空間電法勘探技術，研究掘進掌子面前方地層變化規律、預測前方含導水構造的分布情況。直流電法超前探測采用三級探測裝置，根據點電源場理論，點電源在均勻全空間的電力線呈射線發射，等電位面是以供電點為球心的球面。在均勻介質中，當A點供電時，測量電極M、N產生的信號是由供電點前后左右上下等各方向的體積，顯然迎頭前方的異常信息也可以反映到M-N處。如圖3所示，迎頭前方某位置的異常會使測量電位差曲線產生畸變，即M-N所在的球殼發生變形。根據等值性原理，在掘進巷道內的測量點上也可以觀測到這種變化，所不同的是幅度可能會降低[15]。

圖3 直流電法超前勘探原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of lead exploration by DC method

圖4 瑞利波超前探測施工布置圖Fig.4 Rayleigh wave advanced detection construction layout

1.3 瑞利波法

瑞利波法利用彈性波的頻散特性進行超前探測，使用人工震源在巷道掌子面激發寬頻譜的瑞利波、同時在掌子面布設檢波器對寬頻普的瑞利波信息進行接收，瑞利波超前探測信號采集方式見圖4。對所采集信號取以排列中心對稱的任意兩道，進行快速傅里葉變換和頻譜分析，通過相干函數的互功率譜相位展開譜，利用多次覆蓋、多次疊加技術得到瑞利波信號在不同頻率f的平均速度VR。根據彈性波理論的半波理論可知，探測深度為H=VR/2f，從而得到H-VR頻散曲線，利用小波分析法對瑞利波頻散曲線做出奇異性顯示方式，使巖性介面分層頻散突變點在探測深度曲線上直觀的顯示出來，便于對物探異常做出推斷解釋[16]。

瑞利波法的探測精度與深度主要取決于道間距大小、偏移距大小、儀器參數設置、錘擊次數、測線布置方式、工作環境等綜合因素[17]。

圖5 39201主運巷道礦井瞬變電磁法超前探測Fig.5 39201 main roadway mine transient electromagnetic method advanced detection(a)仰角45°探測;(b)順層方向探測;(c)俯角45°探測

圖6 39201主運巷道礦井直流電法超前探測Fig.6 39201 Leading roadway mine DC method for advanced detection

圖7 2201輔運巷道礦井瞬變電磁法超前探測Fig.7 2201 auxiliary transport roadway mine transient electromagnetic method advanced detection(a)仰角45°探測;(b)順層方向探測;(c)俯角45°探測

2 實例應用分析

2.1 井工三礦39201主運巷道超前探測

39201主運巷道位于井工三礦2采區9煤，本區對應地表為黃土丘陵，大部分被森林覆蓋，溝谷發育。39201工作面的充水含水層為頂板上部T3、T4砂巖含水層，隔水層巖性多為粉砂巖、砂質泥巖和泥巖，含沙量高，隔水性差，各砂巖層組之間水力連通性較好。工作面受褶曲構造影響，煤層傾角變化較大，煤巖層節理發育，局部頂板較破碎。受向斜影響該區域斷層可能比較發育；工作面中部及南部揭露6條斷距大于5 m斷層。東坡向斜在工作面中部穿過，受東坡向斜的影響，工作面發育有次級的褶曲構造，對巷道掘進影響較大。39201工作面由向斜構造主控，向斜兩翼靠近核部部位斷層較為發育。

在39201主運巷道進行礦井瞬變電磁法和直流電法兩種超前物探方法(圖5、圖6)。從圖5、圖6中可以看出，礦井瞬變電磁探測順層方向1號異常位于迎頭正前方40 m～60 m，由于瞬變電磁體積效應，探測異常范圍較大；直流電法探測的1號異常位于迎頭前方46 m～50 m。兩種物探方法探測異常位置剛好重合，根據地質情況分析，推斷上述異常為煤巖層破碎、裂隙較為發育并相對富水所致，后續進行鉆探驗證，鉆孔出現涌水情況，掘進至迎頭前45 m處頂板開始出現淋水，淋水一直持續到探測迎頭前54 m處。綜合利用瞬變電磁法和直流電法超前探測可以對探測異常進行相互佐證，準確探測掘進迎頭前方的異常區域。

2.2 2201輔運巷道超前探測

2201輔運巷道位于小回溝礦2采區北翼中部，地面對應位置地形為典型的黃土高原地貌，山巒疊嶂，溝壑縱橫。2201工作面的直接含水層為下石盒子組下部K4砂巖含水層和山西組砂巖裂隙含水層，間接充水含水層為奧陶系巖溶裂隙含水層，含水層多為細粒砂巖、泥質條帶，具有少量的張性裂隙。煤層整體呈北南高、中部低，工作面掘進受斷層、陷落柱等影響。

圖8 2201輔運巷道瑞利波法超前探測Fig.8 2201 auxiliary transport roadway Rayleigh wave method advanced detection

在2201輔運巷道進行礦井瞬變電磁法和瑞利波法兩種超前物探方法(圖7、圖8)。從圖7、圖8中可以看出，瞬變電磁探測仰角45°方向1號異常位于迎頭左前方20 m～40 m，順層方向1號異常位于迎頭正前方20 m～40 m，由于瞬變電磁體積效應，探測異常范圍較大；瑞利波法探測的1號、2號異常分別位于迎頭前方14 m～18 m和21 m～27 m。瞬變電磁法探測1號異常和瑞利波法探測2號異常位置剛好重合，根據地質情況分析，推斷上述異常為斷層或陷落柱發育、裂隙較為發育并相對富水所導致，后續進行鉆探驗證，鉆孔出現涌水情況，掘進至迎頭前14 m處出現斷層，平均斷距為2 m，迎頭前25 m處煤層破碎，破碎段長度大致有5 m，頂板淋水。綜合利用礦井瞬變電磁法和瑞利波法超前探測，可以對探測異常進行相互佐證，準確探測掘進迎頭前方的異常區域。

3 結論

1)每種方法都具有各自的優缺點，礦井瞬變電磁法和直流電法以電性差異為物性前提，直流電法探測距離誤差較小，抗干擾能力較強，但是只反應迎頭正前方的地質情況；瞬變電磁法可以進行多角度、多扇面探測，但體積效應影響顯著，抗干擾能力差，受環境影響嚴重；瑞利波法以彈性波理論為基礎，對掘進前方的地質構造進行針對性探測，對構造反映靈敏，但探測距離較短，無法判斷異常位置的含水性。

2)每種物探方法都有一定的應用條件和環境，并且單一物探方法的多解性問題給解釋工作帶來了很大的干擾，因此根據探測目標和探測環境選用多種井下物探方法，能夠有效地消除單一方法多解性的影響，對探測結果進行綜合分析，有利于提高探測結果的準確性。

3)在水文地質條件復雜礦區，選用多種物探方法進行綜合探測是礦井超前探測未來發展的趨勢，綜合物探方法探測可以對探測結果進行相互驗證，提高工作效率，為煤礦巷道安全掘進保駕護航。