瞬变电磁法对工作面底板注浆工程的稳定性评判＊

许云磊 刘志新，2 王东伟 武俊文

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

瞬变电磁法对工作面底板注浆工程的稳定性评判＊

许云磊1刘志新1，2王东伟1武俊文1

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

为探查煤层底板含水层注浆加固后的情况，预防煤层底板突水事件的发生，基于矿井瞬变电磁法的地球物理学特征，根据巷道的探查环境，选择矿井瞬变电磁法对煤层底板进行探测，介绍了井下视电阻率的计算公式和工作装置，给出了探测图形显示结果。结合后期的钻孔资料表明，探查结果与实际钻孔情况基本吻合。

含水层 注浆堵水 矿井瞬变电磁法 视电阻率

1 引言

工作面底板水害是影响煤矿安全生产的主要因素之一，由于大型综采设备在工作面回采过程中会造成底板破坏，通过导水断层、裂隙、陷落柱等地质构造，造成局部出水或大面积突水，因此准确有效地预测预报工作面底板赋水异常区域显得尤为重要。目前我国煤矿底板突水类型大致分3种：掘进沟通（断层、陷落柱）型，又分掘进沟通断层型突水和掘进沟通陷落柱型突水；回采影响断层型突水；回采底板破坏型突水，又分裂隙通道型突水和陷落柱型突水。针对这3种底板突水情况，相对应解决的措施有两类，一类是增强隔水层阻隔高压水的能力，另一类是减少高压水对上覆岩层的破坏。通常煤矿采用第一类措施，对隔水层进行有效的加固。即对已经查明有可能发生突水事故的含水构造或巷道工程，进行注浆封堵和注浆截流。矿井瞬变电磁法凭借其体积效应小，指向性强，效率高等优点被广泛应用于煤矿工作面底板赋水情况的预测预报。本文通过矿井瞬变电磁法对注浆改造工程后的工作面底板进行探查，评价底板的稳定性，为工作面安全回采提供帮助。

2 瞬变电磁法探测煤层底板的地球物理学特征

煤系地层一般是层状分布，电性分布横向上相对均一。在瞬变电磁法中，电阻率是表征煤以及围岩性质的重要物理参数，围岩和煤的电阻率变化是根据它们的成分、结构、所含水分等因素，随着影响因素的改变而在较大范围内变化。

其实煤系地层中所含水的导电性直接影响着岩层电阻率。当陷落柱或断裂带中充水时，由于水的导电性好，会在视电阻率剖面上呈现局部低阻的情况；当发育构造含水量较少甚至不含水时，导电性变得很差，局部的电阻率值会偏高。以岩石导电性差异的地球物理学特征为基础，在纵向和横向上的变化规律，能够充分地为矿井瞬变电磁法探测提供良好的实际应用条件。在注意电性差异的同时，采集实际资料过程中，应结合具体地质及水文地质情况进行综合性分析，从而判定煤系地层的富水性。特别要注意在施工过程中，往往巷道中会出现各种各样的金属干扰体，所以在收集数据的时候，同样要做好施工记录，为后期准确进行资料解释提供依据。

3 应用实例

3.1 工作面地质条件

本文选取山西某矿作为研究对象。该矿地面为黄土地貌，无重要建筑物。该工作面所采5＃煤层为该矿主采煤层之一，位于石炭系太原组下部。从工作面掘进情况来看，工作面煤层厚度约9.5～13.9m，平均11m。煤层厚度变化由西北向东南逐渐增厚。为了查明该矿51111工作面底板采动影响范围内是否存在导含水构造和隐伏的导含水通道，根据矿方要求，在51111工作面巷道内进行矿井瞬变电磁法探测工作，为工作面底板水害的治理工作和安全生产提供物探资料。

3.2 施工设计

结合矿方提供的实际地质资料，在施工开始阶段，首先对重点探测的目标区域进行圈定。探测区域圈定完毕后，要对矿井瞬电电磁法中发射线框摆放的探测角度进行设计，根据矿方的要求，实际运用瞬变电磁法对煤层底板进行探测时，设计了发射线框探测方向示意图，见图1。

在设计探测装置布置时要注意，将探测装置布置在巷道靠近煤层工作面侧帮，工作面顶底板导水、赋水岩层在一次场辐射的锥体范围内，煤层顶底板含水异常体将与之产生最佳耦合响应。依据法拉第电磁感应定律，煤层顶底板赋水岩层中的水体产生的感生电动势将远远高于附近围岩，产生较高的感应涡流场。当发射线框以图1（a）放置时，探测方向竖直指向煤层底板，即进行巷道的底板探测；当发射线框以图1（b）放置时，探测方向倾斜指向为煤层底板，即进行工作面的底板探测。发射线框方向上的区别能够在垂向距离上有效地分辨出地下异常。

图1 探测方向示意图

4 探测数据采集、处理与解释

4.1 数据采集

该矿井下工作面巷道断面积较小，为十几平方米，地面的大线框在井下的小断面受到限制，探测环境与地面差别很大，因此采用多匝重叠小回线装置。沿着巷道布置测线，测点间距为10m。采用的仪器为Terra TEM瞬变电磁仪，发射和接收线框采用多匝2m×2m矩形回线。采样时窗为1～34，叠加次数64，时间采用标准时间序列。

4.2 数据处理

收集的数据采用矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统软件进行预处理。矿井瞬变电磁探测是在井下巷道内进行的，其瞬变电磁测量装置探测的感应电位为井下煤系地层导电性的综合响应。因此，矿井瞬变电磁视电阻率计算公式为：

式中：C——全空间响应系数；

μ0——真空磁导率；

S——接收回线线圈面积；

s——发射回线线圈面积；

N——接受线圈匝数；

n——发射线圈匝数；

t——二次场衰减时间；

V／I——接收的归一化二次场电位场值。

本文只选取该矿工作面底板方向探测结果进行介绍。在数据预处理之后，结合surfer软件成图，图2即为工作面底板在注浆加固后的视电阻率等值线拟断面图，因为工作面长度较长，所以分段截取成图2（a）与图2（b），两图横坐标是连续的，图中横坐标为风巷内靠近工作面侧帮布置测点，每个测点的间距为10m，纵坐标为探测方向的距离，等值线数值为视电阻率值，单位为Ω·m。

图2 工作面底板注浆后视电阻率等值线断面图

4.3 数据解释

在视电阻率等值线断面图中，局部的视电阻率等值线数值愈低，对应探测范围内赋水裂隙与深部水力联系明显，对工作面回采影响大。

分析图2中视电阻率等值线变化规律可以看出：在探测方向距离（纵坐标）小于80m左右（垂向距离煤层底板约70m左右），工作面底板大部分范围视电阻率等值线沿巷道走向整体变化平缓，视电阻率值在1.5～10Ω·m范围内变化，无明显低阻异常反映，说明底板对应岩层电性横向稳定。在沿探测方向80m以外探测范围内存在3个主要的相对低阻区，即E、F和G异常区。

E异常区影响范围为沿探测方向80m范围外，由以往探测资料分析可知该范围内主要存在伏青灰岩及附近砂岩岩层，这个异常区为伏青灰岩局部裂隙相对发育，且被低阻介质充填的反应，其赋含水性较弱；F异常区位于巷道31～37号测点之间，该范围内围岩视电阻率值相对较低，其值低于1.5 Ω·m，但其影响区域处于底板采动破坏范围之外；在G异常区内出现一个低阻封闭圈，分析相对低阻异常区域的发育范围和发育形状，显示没有与深部灰岩水直接导通的通道，视电阻率值随着深度增加处于缓慢下降趋势，其影响范围为工作面底板以下80m范围外，对未来工作面回采影响较小。

4.4 钻孔验证

图3为针对探测低阻区域设计的验证钻孔断面图，在进行矿井瞬变电磁法探测之后，对E异常区进行钻探，图3中4＃钻孔，钻探结果与探测结果相吻合。注浆改造工程后，瞬变电磁法探测的结果显示，E异常区的局部区域可能被低阻介质充填，在横向上电阻率值稳定，钻探钻孔的出水量为零。这就表明对赋水区进行注浆加固，注浆后底板岩层得到了较好的加固，改造效果显著。

图3 4号孔实测剖面图

5 小结

实践证明，矿井瞬变电磁法能够较为直观地显示工作面底板的电性分布，为工作面回采过程中的底板水害防治提供真实可靠的资料；通过后期的钻孔资料验证，矿井瞬变电磁法可以作为一种有效的地质保障技术应用到煤矿安全生产中。但同时还应该注意两个问题：

（1）在进行煤层工作面底板探测，受到仪器关断时间的影响，得到的视电阻率断面都会存在20m左右的探测盲区，给探测方向上近距离地层的资料解释带来困难，需要在以后的研究中解决。

（2）矿井瞬变电磁法在煤矿水文探测及辨别其富水性强弱方面有很好的应用效果，可以用于煤层工作面顶板与底板地质构造异常区。同时要结合矿井瞬变电磁法在该矿区以往的水文探测数据和地质资料，对异常区的富水性强弱做出综合评价，这样有利于异常构造的识别。

[1] 车树成，张荣伟.煤矿地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006

[2] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社，2007

[3] 刘天放，李志聃.矿井地球物理勘探[M].北京：煤炭工业出版社，2002

[4] 刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005

Judgment of transient electromagnetic techniques testing grouting effect of lower confining bed

Xu Yunlei1，Liu Zhixin1，2，Wang Dongwei1，Wu Junwen1
（1.School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，
X
u
zhou，Jiangsu 221116，China；2.National Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineer，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

To check the results of grouting reconstruction of coal floor，and to prevent the happening of the water－inrush condition，based on the earth physics features of mine transient electromagnetic method and the environment of exploration，the coal floor are detected by using mine transient electromagnetic method，the underground apparent resistivity calculation formula and work device are introduced，the detection graphic results are shown.Combined with the late borehole data，it shows the exploration results are basically consistent with the actual drilling results.

filling aquifer，grouting for water blocking，mine transient electromagnetic method，apparent resistivity

P631.2

A

国家自然科学基金项目“巷（隧）道影响下全空间瞬变电磁法视电阻率与时间－深度理论转换研究”，项目编号41004048

许云磊（1988－），男，江苏徐州人，在读研究生，主要从事矿井地球物理勘探和工程与环境地球物理勘探方面的学习与研究。

（责任编辑 张毅玲）