礦井瞬變電磁法和震波單點法巷道勘探研究

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 超前物探工程概況

東大煤礦是晉能集團和晉煤集團2018 年聯合獲批的新型礦井，目前開采3#煤，巷道沿底掘進，巖巷位于煤層下部15～20 m，主要是砂質泥巖和細粒砂巖。根據現有已知的水文地質條件，所規劃的井田范圍內含水層有奧陶系馬家溝組，主要以巖溶裂隙為主的含水層；太原組含水層，根據鉆探資料推測，屬弱富水性含水層，但不排除局部富水的可能；山西組含水層主要由砂巖組成，厚度19～36 m，主要為構造裂隙為主的含水層，為3#煤層頂板主要含水層。

由于工作面范圍含水層較多，并且新礦井地質資料較為匱乏，為了避免安全事故發生，礦方決定在8-20 中央進風大巷128 m 處進行超前探測，勘查中央進風大巷掘進頭前方構造發育區域及含水體分布。

鑒于現場無大的聲波和地震波噪聲干擾，兩幫為錨桿網支護，迎頭處無支護影響，迎頭前方巖石較松散，并且有足夠空間進行錘擊，決定應用礦井瞬變電磁法和地震法兩種方法進行超前探測，探測巷道前方范圍為100 m。

2 超前物探的基本原理及設備介紹

2.1 礦井瞬變電磁（TEM）特點及設備

礦井瞬變電磁法（TEM）受礦井條件限制，在探測點布置、系統設計、數據收集和處理方面與其他探測方式有明顯區別[1-3]，有以下特點：

（1）礦井瞬變電磁法是根據空間的應變響應分析，探查的效果會受到礦井環境的影響，如礦井巷道中的金屬軌道和線框裝置，或處于較高應力狀態的煤巖體影響，一般來說有效探測范圍約為200 m。

（2）井下瞬變電磁法使用的多匝回線裝置的邊長為1.5m，裝置體積小，工人勞動強度低，數據收集工作的效率提高，成本較低。

（3）礦井瞬變電磁法對構造區或含水率高等高阻力區域的穿透能力強，同時對正常無異常地區的探測分辨能力較強，探測深度所需的極距小，故而TEM 更適應于井下的構造區探測。

此次探測選用的儀器為煤科院設計研發的TEM-6 大功率瞬變電磁儀，中心接收探頭為T50（等效面積為100m2））裝置，最大供電脈沖電流為1500 A。勘探裝置主要采用重疊的回線組合方式，激發圈和接收圈均使用邊長為1.5 m的正方形線圈，其中激發圈的線圈匝數為16，接收圈的線圈匝數為4。供電電流設計為60 A，數據采樣速率為16 μs，供電脈寬約10 ms。實際勘探過程中，為有效提高探測數據的準確性，每個測點至少經過30 次疊加以提高信噪比。

2.2 震波單點超前探測特點及設備

震波單點測試是通過地震波自發自收的方式對巷道前方的不明地質體進行探測，即單次發射的震波反射回來的聲波有相應的單個接收儀器，并對數據進行獨立處理。探測主要利用不同介質對相同地震波的波抗阻不同，其通過介質面產生的反射波來探測不良地質帶的范圍和程度[4-5]，反射波的形式為垂直反射，偏移量為0。因此，在使用震波單點測試時，需要盡量減小接收器和震源的距離，但需要避免兩者直接接觸。

單點震波探測設備選用KDZ1114-6A30 煤礦地質勘探器，是基于震波學和動力學理論，通過數值模型，算法反演和圖像處理等方法展開圖像分析，進而解決井下掘進范圍內不明質地區域的勘探難題。關于震波單點探測的數據處理主要是通過多次實測的勘探數據，消除干擾波后對實測數據進行疊加，通過系統進一步解析細化后，展示出勘探的結果。具體的數據處理流程如圖1。

圖1 地震波信號處理流程圖

震波信息收集后，首先要對數據進行預處理，剔除無效數據，隨后設置有效閾值，對數據進行進一步的過濾。然后通過靜校正、速度波對比、動校正等對數據校正處理。最后通過數據疊加并通過空間混波、平滑等進行修飾處理，通過數據覆蓋系統將觀測的數據進行疊加分析，生成疊加剖面圖。

3 超前物探方案設計和施工

（1）瞬變電磁法探測施工方案：礦井瞬變電磁法的布置是在巷道迎頭處沿著巷道走向、巷道走向偏向上45°、走向偏向下30°、走向偏向下45°布設4 條測線。不斷改變系統發射點和接收點的位置，每條測線設11 個觀測點，每條測線上的點間距為5 m，觀測點在剖面上互相平行，共計測點44 個。

（2）震波單點勘探方案：根據探測任務要求及迎頭地質情況，本次采用震波單點法觀測，中央進風大巷128 m 處迎頭位置共布設9 個錘擊點，錘擊點間距為5 m，每個錘擊點設置2 個檢波器，即每個測點錘擊一次，接收兩道數據，共收集18 道數據。

礦井瞬變電磁法的勘探試驗方案、數據采集流程，嚴格按照《瞬變電磁法技術規程》進行，并利用增大發射功率的方法增強二次場，提高探測的信噪比。震波單點測試法嚴格參照《淺層地震勘查技術規范》進行施工和數據采集，保證了本次試驗及數據采集，保證施工質量。

4 超前物探結果綜合分析

（1）中央進風大巷128 m 處瞬變電磁超前探測的4 條測線數據經過處理后，共獲得實測扇形剖面4幅，選取其中掘進方向斜向上45o方向扇形剖面、掘進頭順層方向扇形剖面進行分析。

剖面圖中，100 m 范圍內淺色區域為低電阻率異常區，表明可能存在不良地質構造或者為富含水區，深色區域為高電阻率范圍，表示為地質區域無異常的區域。

掘進頭斜向上45°方向視電阻率剖面圖資料探測結果如圖2。

中央進風大巷128 m 處掘進頭斜向上45o方向探測扇形剖面（頂板+45°）沒有明顯的低阻率異常區域，只有探測區域前方15～25 m，水平方向-20～20 m 處范圍內，存在部分電阻率較低區域。

圖2 掘進頭斜向上45o仰角探測扇形剖面

掘進頭順層方向視電阻率剖面圖資料的探測結果如圖3。

圖3 掘進頭超前探測扇形剖面（順層）

中央進風大巷128 m 處掘進頭順層方向探測扇形剖面（順層）無明顯的低阻異常區域，但在掘進頭正前方10～35 m 處，水平方向-20～35 m 范圍內，存在相對低電阻率區域，可能存在構造帶或者含水層，需要進一步勘探驗證。

（2）利用震波反演，將震波數據整理后，分析震波單點測試的結果，如圖4。

圖4 中央進風大巷128 m 處震波反演圖

本次探測使用震波單點法，圖4 中橫坐標表示發射時間，縱坐標表示波的振幅，發射的地震波波速為1.8 m/ms。提取其中采集的9 組數據并擇優使用，完全可以滿足探測要求。結果表明，中央進風大巷128 m 處迎頭無明顯震波反射異常區。

本次井下物探工程采用了礦井瞬變電磁法與礦井地震法兩種方法相結合進行綜合物探解釋，兩種方法相互疊加得到疊加成果如圖5。

圖5 地震電法成果疊加圖

瞬變電磁法與點震法均無明顯異常區，但應注意瞬變電磁法迎頭前方15～45 m 處，水平方向-20～35 m 存在一處電阻率相對較低的區域。

根據地質條件可知，3#煤層頂板是山西組含水層，主要為構造裂隙為主的含水層。結合物探結果推測，由于該區域裂隙比較發育，導致局部煤層頂板出現滲水現象。因此，為了保證礦方安全生產，應該對該區域提前進行探放水和注漿加固，預防水患事故發生。

5 結論

（1）為探明東大煤礦8-20 中央進風大巷內構造區和含水情況，分析了礦井瞬變電磁（TEM）和震波單點超前探測的原理，并根據實際地質條件設計了相應的探測方案。

（2）本次探測中央進風大巷128 m 處超前物探表明，掘進頭前方15～45 m，水平方向-20～35 m處存在相對低電阻率區域，綜合考慮礦區水文地質條件，需要在該區域提前進行排水和注漿加固，防止水患等事故產生。