瞬变电磁法在圪堆煤矿含(导)水构造超前探测中的应用

赵文曙，刘 军，李永军

(1.山西古县西山圪堆煤业有限公司，山西临汾 042400;2.北京华安奥特科技有限公司，北京 100085;3.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

在煤矿开采过程中，巷道掘进前方隐伏的含(导)水构造极易引发矿井突水事故，对煤矿的安全生产构成极大的威胁。因此，在巷道掘进过程中，查明采掘工作面前方的含(导)水构造是煤矿安全生产中亟待解决的问题。

矿井瞬变电磁法可以解决煤矿掘进工作面前方富水性构造超前探测问题，其克服了井下电法超前探测距离受空间场地限制、需埋设电极等缺陷，具有探测距离远、方向性强、精度高、施工效率高等优点。

因此，笔者在山西临汾圪堆煤矿采用矿井瞬变电磁法对井下掘进工作面富水异常体进行探测，预测了巷道前方含(导)水断层位置及富水情况，探测结果与钻探验证结果基本吻合，取得了良好的应用效果。

1 矿井瞬变电磁法原理

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)［1］是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流所产生的二次电磁场的空间和时间的分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。

1.1 探测的物性基础

由于煤系地层沉积序列清晰，地层相对稳定，在正常地层组合条件下，横向与纵向上都有固定的变化规律［2］，因此，瞬变电磁技术能根据地层电性特点探明工作面顶、底板及巷道掘进工作面前方水平和垂直方向上的的低阻含水构造。

掘进工作面前方岩层中的富水区，电阻率通常较低;工作面或巷道内的较大落差的断层(＞1/2煤厚)，其两侧常存在煤层变薄现象，电阻率与正常块段存在差异;厚层稳定煤区则表现为相对高阻。可见，富水区和煤层变薄区等与正常煤层间存在明显的电性差异，瞬变电磁法即可通过这种差异来查明相关问题。

综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论含水与否，都将引起地层电性在纵向和横向上的变化。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件［3－6］。

1.2 矿井瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁的基本工作方法是向发射线圈通以一定波形的电流，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小，即放映的为浅部信息;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大，即反映的为深部信息。通过测量断电后不同时间的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征［7］。

由于煤系地层成层分布，各岩层电阻率不同，当前采用的装置型式在井下巷道空间中进行超前探测时，线圈与岩层的耦合方式发生改变，由原来的平行层理变成垂直层理，进而一次场的激发方式由原来的垂直层理变成平行层理，一次场激发方式的改变带来瞬变场分布与扩散方式的改变［8］。因此，在数据的采集与处理时应采取平行层理条件下的相关理论，将发射线圈置于掘进工作面，其发射源激励下的涡流场在不同岩层中传播，形成的二次场又会被置于工作面的接收装置以感应电位的形式接收，通过观测感应电位的变化，从而推测工作面前方电性的变化。

2 典型实例

圪堆煤矿地处沁水煤田沁安普查勘探区西南部边缘，其上部地层存在富水性弱的砂岩裂隙含水层，且区内存在积水采空区，加之井田内构造发育等诸多不利因素并存，探放水任务较为艰巨。

本次超前探测探测工区选择在+1085 m水平轨道运输巷。+1085m水平轨道运输巷自6号煤层底板开始，穿越6号煤层、6号煤层顶板、5号煤层底板、5号煤层、5号煤层顶板、4号煤层底板、4号煤层、4号煤层顶板，最后在4号煤与3号煤之间转入北翼皮带巷。其中6号煤层为局部可采煤层，4号、5号煤层为不可采煤层。

井田内奥灰水水位在+820 m左右，该巷道的掘进最低标高为+1085.00 m，远远高于奥灰水水位，因此巷道在掘进过程中不会受奥灰水威胁;该巷道在掘进过程中要穿越山西组的K7含水层，该含水层为一层裂隙不甚发育的中、细粒砂岩弱富水性含水层，在掘进过程中可能会出现轻微的顶板淋水现象，但对掘进工作的影响不会很大;原圪堆煤矿开采的煤层为2号、3号煤层，而该巷道掘进是自6号煤层至3号煤层掘进，掘进过程中不会有老空水的威胁。

在+1085 m水平轨道运输巷掘进过程当中，含(导)水隐伏构造为防治水重点对象。

为了探明迎头前方含(导)水构造的发育情况，保证巷道掘进安全，在+1085 m水平轨道运输巷掘进头处利用超前探测装置进行了瞬变电磁超前探。

图1 煤层综合柱状图(1∶500)

圪堆煤矿掘进巷道超前瞬变电磁探测采用北京华安奥特科技有限公司生产的YCS150瞬变电磁系统，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，并能现场成图。

2.1 电阻率与富水性关系试验

为提高分析解释精度，在探测之前，应对探测区进行物探试验，以摸清探测区内异常区地电特征。故选取了四个已钻探验证过的区域及距离水仓不同距离的两个地点进行试验，所选择的试验地点有副斜井、主斜井、12210运输顺槽、12210回风顺槽，此四个地点与+1085 m水平轨道运输巷的水文地质条件相近，因此其电阻率与富水性关系对于探测工作具有借鉴意义。

通过试验获得了试验区异常情况的实际电阻率参数，如表1所示。

表1 低阻情况与电阻率值对应表

根据已知的富水情况，结合物探在已知区域电阻率反映，分析电阻率与富水性关系。其中12210回风顺槽试验点前方40m位置涌水量大于5 m3/h，可定义为富水区域;水仓为富水区域;副斜井试验点与12210运输顺槽试验点前方的涌水点定义为弱富水区。

从物探试验情况可知，较富水地段的电阻率值反映为2.3～12.0 Ω·m，弱富水区域电阻率值反映为8.6～16.5 Ω·m，不富水区域电阻率值一般大于14.3 Ω·m。

通过物探试验，综合分析物探在富水区域的低电阻率值特征，可初步得出圪堆煤矿水文－地球物理电性特征:瞬变电磁探测时电阻率值为0～10 Ω·m体现为富水;电阻率值为8～16Ω·m体现为弱富水。

2.2 探测方案及成果

2.2.1 探测方案

本次瞬变电磁探测采用偶极装置，该装置有灵活方便、探测分辨能力较强、一次场的影响较小等优点。发射电流为1.8 A，频率12.5 Hz，发射线圈2×2m×40匝，接收线圈直径0.6m，发射—接收间距为4m，且所采用的YCS150矿井瞬变电磁系统发射线框和接收线框为完全分离的两个独立线框，可与煤层底板含水异常体产生最佳耦合响应。

根据现场情况，本次瞬变电磁法迎头超前探测共三个方向:迎头向上45°、顺层、迎头向下45°，每个方向7个角度呈扇形布设，如下图所示:

图2 迎头超前探测布置示意图

2.2.2 探测成果

通过瞬变电磁探测，得到+1085 m水平轨道运输巷迎头斜上45°、顺层、斜下45°探测成果图，下面主要对顺层探测成果(图3)进行分析。

从成果图可看出低阻区域相对明显，电阻率值为1.4～8.49 Ω·m，对比前期物探试验可知，可能存在大的水体。为验证矿井瞬变电磁法超前探测结果，再应用高密度电法对迎头前方进行超前探测，该方法受环境干扰较小，遇较小规模地电异常体则可获得较强的异常响应。高密度电法超前探测结果显示+1085 m水平轨道运输巷掘进迎头前方40～50m范围内存在低阻异常，如图4所示。

通过矿井瞬变电磁法探测与矿井高密度电法超前探测的对比验证，可知迎头前方45～55 m范围内存在明显低阻异常区，可能存在含(导)水构造发育。对比验证结果如图5所示。

图3 副斜井(+1085 m水平轨道运输巷)掘进迎头探测顺层方向成果图

图4 +1085 m水平轨道运输巷掘进迎头高密度电法超前探测成果图

图5 副斜井(+1085 m水平轨道运输巷)异常区平面分布图

为验证物探结果，采用钻探法进行验证，以指导安全掘进工作。钻孔布置方式采用扇形布置，共布置5个钻孔。

1)中心钻孔

钻孔数量为3个，钻进方向为巷道设计中心线方向，1#为正中心钻孔，距巷道顶板1.5 m，坡度为0°，钻进深度60 m;2#为中心上部钻孔，距1#钻孔 1.00 m，坡度为 +19°，钻进深度63.5 m，3#为中心下部钻孔，距1#钻孔0.8 m，坡度为－21°，钻进深度64.30 m。

2)左侧钻孔

在巷道中心线的左侧距中心钻孔1.0 m布置一个钻孔，钻孔编号为4#，钻孔与中心孔的平面夹角为21°，坡度为0°，钻进深度64.3 m。

3)右侧钻孔

在巷道中心线的右侧距中心钻孔1.0 m布置一个钻孔，钻孔编号为5#，钻孔与中心孔的平面夹角为21°，坡度为0°，钻进深度64.3 m。

朝巷道正前方钻探时，1#钻孔进尺47 m处出水，总放水量达10万多立方米。与探测结果相符，避免了掘进过程中水害的发生，确保了矿井的掘进生产安全。

3 结语

通过矿井瞬变电磁法在圪堆煤矿掘进巷道前方富水体探测中示范性应用，体现出了YCS150矿井瞬变电磁仪轻便、现场操作简单快捷、不受现场狭小空间限制、可实现任意方向探测等独特优势。探测成果证明了该方法可较准确的探测出采掘工作面前方含(导)水构造，为矿井防治水措施的提前制定提供可靠依据。

鉴于瞬变电磁技术分辨率高但易受干扰的实际情况，探测之前应做好仪器参数选择试验、提供良好的施工环境并结合矿方实际情况，做好探采对比工作，摸清水文地质—地球物理响应特征。

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