瞬變電磁超前探查水體技術分析與應用

彭虎

（山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

水害是煤礦常見的災害之一，對礦井安全生產和礦工生命安全產生了極大的威脅，為了查清楚礦井采掘區域的富水異常區，為礦井安全生產提供依據，常用的方法主要為物探法、鉆探法以及常規的地質分析法，其中鉆探法存在“一孔之見”的顯著缺點，而傳統的地質分析法又無法準確的給出采掘區域的富水情況結論，因此物探探測方法非常重要，然而井下的采掘空間有限，受采掘空間的影響部分物探手段的應用效果不是特別理想。本文分析了瞬變電磁的技術原理和探測條件，并且在東古城煤業21301 工作面回風順槽進行了實地驗證，表明其探測結果較為可靠，為礦井防治水工作提供了重要基礎。

1 概 況

東古城煤業21301 工作面位于二采區南部，主采煤層為9 號、10+11 號煤層，工作面東部為原河底山采空區，南部為該礦礦界，西部為實體煤，北部為實體煤，對應的地表范圍內為丘陵林地，標高為+1 036—+1 324 m，區內無建筑物。21301 工作面可采走向長度為1 930 m，傾斜長度為132 m，計劃采用綜合機械化采煤工藝，自然垮落法管理頂板，根據地面勘探鉆孔與井下揭露的地質資料，21301 工作面范圍內主采煤層穩定，煤層總體走向為北東，傾向為西北，傾角3°～13°，平均8°，工作面煤層底板標高為+916—+968 m，煤層厚度為6.5～7.4 m，平均為6.94 m，其間含3 層夾矸，夾矸總厚度為1 m，純煤層厚度平均為5.94 m，種類為煙煤中的肥煤，煤化程度較高，屬于中等揮發分中的強粘結性煤，煤層硬度f=2～2.5，煤層頂底板巖層情況如圖1 所示。

圖1 21301 工作面煤層頂底板巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor strata in No.21301 Face

21301 工作面回風順槽掘進至通尺326 m 處時出現了頂板淋水，且隨著掘進逐漸變大，嚴重威脅煤礦生產安全，因此決定對21301 工作面前方含水區域進行探查。

2 瞬變電磁超前探測

2.1 瞬變電磁超前探查技術原理

煤系地層主要由沉積巖組成，不同的巖石由于礦物成分、結構、構造等方面存在差異，因而往往具有不同的電阻率，當電磁場穿過巖層時，通常會表現出不同的反應，為采用電磁方法識別不同的巖性，探查施工方向上的含水體和導水構造提供了一種可能的思路。瞬變電磁法是一種通過采用人工激發的瞬時電磁場，讓電磁場穿過施工方向上巖石和構造等地質體，通過接收前方巖體反射回的電磁波信號，利用電磁波信號的變化來檢測地下含水和導水地質構造和地質體的一種方法。

探測過程中，探測設備發射電流會在回線周圍的大地和空間中形成一個穩定的磁場，如圖2所示。

圖2 矩形框磁力線Fig.2 Rectangular frame magnetic field line

然后將電流突然斷開，該電流產生的磁場也立即消失，并在大地中激發出感應電流以維持發射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失，如圖3 所示。

圖3 穿過Tx 中心的橫斷面內電流密度等值線圖Fig.3 The contour map of the current density in the cross section passing through the Tx center

由于介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產生的磁場也隨之迅速衰減，而瞬變電磁場衰減速率與介質的電性有關，視電阻率值較高區域引起的瞬變電磁場較弱且衰減較快，而視電阻率值較低區域引起的瞬變電磁場較強且衰減較慢，所以通過觀測瞬變電磁場的大小和衰減特性，就可以了解地下介質的電阻率分布情況，進而判斷地層的巖性、賦水性和構造等特征。

2.2 施工設計

東古城煤業21301 工作面回風順槽掘進至通尺326 m 處時出現了頂板淋水，隨著巷道向前繼續掘進，頂板錨索鉆孔中出現了較大的涌水（圖4），不僅增加了掘進頭的涌水量，惡化了作業環境，甚至有可能造成災變，直接威脅回風順槽和膠帶順槽的安全掘進和21301 工作面的安全開采，因此需要對21301 工作面前方含水區域進行探查，為精準疏放提供依據。

圖4 煤層頂板錨索鉆孔涌水Fig.4 Coal seam roof water inflow of anchor cable drilling hole

為了查清21301 工作面回風順槽前方頂板含水體的大小，根據21301 工作面回風順槽預掘進區域的地質和水文地質等條件，決定采用瞬變電磁法進行勘探，計劃采用安徽惠州地質安全研究院的YCS360A 礦用本安型瞬變電磁儀（圖5）進行施工。

圖5 21301 工作面回風順槽超前探測使用的瞬變電磁儀Fig.5 The transient electromagnetic instrument used in the advanced detection of return air roadway in No.21301 Face

（1）采用多匝重疊回線裝置，發射線框和接收線框均為1.8 m×1.8 m 矩形回線，發射頻率擬為8.3 Hz。

（2）在掘進頭處朝目標區域分別實施橫向切片和縱向切片的掃描探測，如圖6 所示。橫向掃描時，沿巷道掘進方向以礃子面左軸為0°方向，順時針在30°～150°的扇形范圍內、按15°間隔，探測9 個方向（控制巷道外圍50～103.92 m）；縱向掃描時，沿巷道掘進方向以垂直巷道底板向下為0°方向，從下往上在0°～180°的扇形范圍、按15°間隔，探測13 個方向（控制煤層頂板以上83.61～116.2 m，控制煤層底板以下83.61～117.4 m）。

圖6 瞬變電磁探測方向示意Fig.6 Transient electromagnetic detection direction

2.3 物探技術要求

（1）工作量要求。21301 工作面回風順槽掘進頭超前探測時，橫向探測9 個方向，傾角為15°，縱向探測13 個方向，共計完成22 個方向探測。

（2）質量要求。質量要求按國家、行業的有關標準和規范執行。

2.4 物探施工注意事項

（1）人員配備。井下瞬變電磁勘探時，由2名以上人員參與施工，其中至少1 名防治水技術人員，負責協調井下物探現場施工過程中遇到的各種問題。

（2）施工環境要求。施工范圍附近，距離掘進頭探測點20 m 內巷道不得有大面積積水，且不得存放掘進機、鐵軌、皮帶架、錨網、錨桿等大塊金屬體；礦車需移出施工巷道，盡可能保持巷道空凈；鐵管盡可能貼巷底放置、減少金屬干擾，保障物探效果。物探數據采集時，施工區域附近必須停工，嚴禁出現拉車等其它活動，保障物探施工人員安全；巷道內動力電纜、大型機電設備必須停電，防止對物探儀器造成損壞和干擾。

3 探測結果分析

東古城煤業21301 工作面回風順槽通尺326 m迎頭瞬變電磁超前探測結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 橫向（傾角為15°）探測結果Fig.7 Lateral(dip angle 15°)detection results

圖8 縱向探測結果Fig.8 Longitudinal detection results

從圖中可以看出，21301 工作面回風順槽前方頂板120 m 范圍內存在傾向向上的富水異常區，而不是水平方向的異常區，異常區傾斜方向上延伸的傾角大致為45°，推測其為前方存在小斷層構造引起的巖層破碎而造成的富水異常區，異常區范圍有限。

后在21301 工作面回風順槽通尺326 m 迎頭實施鉆探驗證，發現了小斷層，斷層走向與巷道近乎于垂直，斷層傾角為46°，落差為0.8 m。經過鉆孔疏放，斷層破碎帶的水得到了有效疏放，單孔涌水量從最初的18.6 m3/h 最終降低為0.1 m3/h，保證了21301 工作面回風順槽安全通過了該小斷層，表明了瞬變電磁探測結果的準確性。

4 結語

井下巷道的掘進頭應用瞬變電磁進行超前探測具有占用施工時間短、施工過程簡單、探測深度大、受空間影響較小等顯著優點。通過在東古城煤業21301 工作面回風順槽通尺326 m 的掘進頭實施超前探測，發現了前方120 m 范圍內存在一個傾斜向上的小范圍的沿傾斜方向大致呈45°延伸的低阻異常區，結合頂板錨桿鉆孔出水情況，進行鉆探驗證，判定其為斷層造成的破碎帶。后經過鉆孔疏放，單孔涌水量從最初的18.6 m3/h 最終降低為了0.1 m3/h，21301 工作面回風順槽安全通過了該小斷層，表明了瞬變電磁探測結果科學有效，為保證煤礦安全生產奠定了基礎。