综合电法超前探在煤矿的应用研究

王程 王艳波 李冰

[摘要]为确保煤矿掌子面的安全掘进生产，需探明前方的水文地质情况。直流电法和瞬变电磁法均对富水区敏感：其中直流电法抗干扰能力强，横向分辨率高，能较为准确的分辨出富水异常区距掌子面的距离，但在矿井全空间的地电条件下，瞬变电磁法具有较强的方向性，能较为准确的分辨富水异常区的纵向发育位置，两种方法结合，精准的定位富水区位置，解决了水文地质问题。

[关键词]直流电法 瞬变电磁法 超前探测 富水区

[中图分类号] X752 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-236-2

1引言

水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一，特别是奥灰带压水源。近几年，井下直流电法探测巷道老窑巷道积水、断裂破碎带、含水和导水构造等取得了明显的地质效果。由于岩石电阻率大小主要取决于空隙内的富水性和孔隙空间特性，所以直流电法电阻率成象对于识别掘进巷道前方的老窑巷道、隐伏断层、破碎带、陷落柱，尤其含水、导水破碎带，甚至潜在的突水点都有明显的地质效果，已成为煤矿水害探测的最佳选择[1]。

但在矿井全空间的地电条件下，直流电法超前探测并不能分辨异常区的垂向分布

位置，相比瞬变电磁法具有较强的方向性，能定位异常区的垂向位置，这样，两种方法综合探测，相互补充，互相验证。

2方法概述

2.1直流电法超前探测

直流电法超前探是基于直流电法测深方法原理，用以研究掘进头前方相对电性变化规律，预测掘进头前方含、导水构造的分布和发育情况的一种井下电法探测新技术[2]。

四点源法超前探测技术同时在堵头后方布设4个供电点，利用在巷道后方不同供电电源所产生的电位差，经过视电阻率计算，得出不同极距的视电阻率异常，经过各种处理，消除巷道影响、后方异常影响、侧方异常影响。通过空间交汇，可以准确对前方异常进行定位，较好地解决了超前勘探含水构造这一问题。从均匀全空间出发，可计算出岩石的视电阻、视电阻率：

2.2瞬变电磁法超前探测

矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。所不同的是，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布，全空间效应成为矿井瞬变电磁法固有的问题。煤层一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映，因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

瞬变电磁法的视电阻率是通过将均匀半空间表面的瞬变电磁场在小感应数或大感应数条件下近似，得到半空间电阻率与电磁场的反函数关系。

令u<<1，即2πa/τ<<1，当t较大时可满足此条件，为晚期条件[4]。其视电阻率的公式为：

在针对采区水文物探中，含煤地层一般为层状的特点，可采用下面的方法进行时深转换。

将时间-视电阻率曲线转换成深度-视电阻率曲线是一个关键步骤，理论上瞬变电磁深度基于均匀介质瞬变场的扩散深度即均匀大地中，在任意时刻t时最强瞬变场所在深度称之为扩散深度，以 δTD表示，则：

计算某一测道深度时，设前一个测道的时间和计算深度分别为ti-1和hi-1，本测道的时间ti，晚期电阻率ρi，则本测道计算深度hi为：

由于矿井瞬变电磁法回线组合形式和背景干扰与地面不同，其探测深度与地面也不同.在计算深度时必须增加校正系数，通过理论模型和实际资料验证，K较为关键，它可以根据长期大量的试验获取，并要根据矿井探测方向的地质预想剖面或岩性柱状加以取值，煤、岩及不同岩层K值均不相同，因此在进行深度转化时对K的取值一定要结合实际情况而定，可结合钻孔或地层资料有针对性地转换[3-4]。

3测区地质与地球物理概述

超前探测的施工巷道为在煤层中掘进，该煤层厚约2.5m，直接顶、底板以砂泥岩为主，主要水害威胁为奥灰水。煤层距离奥灰平均为20m，煤层底板标高低于奥灰水位70m左右，即带压为0.7MPa，煤层底板下存在一层铝土泥岩，在地层较为完整的情况，可作为较好的隔水层。因此跟踪超前探测主要目标地质体为构造裂隙带。

在正常地层中，电流线在地层中均匀分布。当有含水断层或充水裂隙切割地层时，由于水体良好的导电性，电力线会向含水断层或裂隙破碎带集中，使探测到的视电阻率值比其它部位的视电阻率值明显降低，这就为掘进头超前探测提供了良好的物性基础。

通过对掘进头超前探测视电阻率数据的分析和解释，可推断掘进头前方含赋水异常的分布特征[5]。

4数据处理

4.1直流电法超前探测

在获取的地质信息中，包含有地下全空间各种地质体的影响。可归结为测量电极M、N附近的（巷道底板不均匀，M、N电极接地条件的不均一、巷道内局部电性不均匀地质体等）影响、地层层状空间的影响、地层各向异性的影响、巷道工作面非正前方的影响（上方、下方、左方、右方、后方）、巷道工作面前方的影响。在均匀空间或层状空间条件下、顺层超前探测时，分别需对下列影响进行消除[2]：

①测量电极M、N附近的影响消除；

②层状地层和各向异性的影响消除；

③工作面非正前方的影响消除；

4.2瞬变电磁法超前探测

矿井小线框瞬变电磁中心回线装置观测得到的二次场衰减曲线与地面地面大线框瞬变电磁中心回线装置的差异较大，由于线圈边长小，匝数多，因此关断时间内的电感影响和线圈固有过渡过程对所测得曲线产生较大的影响，所以想要对矿井瞬变电磁数据进行如地面数据相同的圆滑滤波、去干扰、全期视电阻率计算、反演等处理步骤并取得合理的结果，必须消除多匝小回线装置对观测信号的影响[6-7]，如图1，实线为原始曲线，虚线为电感校正之后的曲线图。

5地质成果

实际施工在工作面顺槽掘进区间，在掌子面附近施工直流电法和瞬变电磁法超前探测，见图2。

图2为直流电法和瞬变电磁法经过处理后的电阻率剖面图，长方形图为直流电法超前探测成果图；扇形图为瞬变电磁法顶、底板超前探测成果图，上面代表顶板，下面代表底板，以深色表示电阻率高值段，浅色表示电阻率低值段。

从直流电法的成果图中发现一处低阻异常区，距离掌子面36～41m之间，结合瞬变电磁法垂直方位的成果图，发育一处低阻异常区，距离掌子面24～40m之间，异常垂向位置发育巷道掘进路径的底板下0～16m之间，异常核心位于底板下10m附近，根据附近钻孔岩性剖面分析底板下10m附近岩性以砂岩为主，因此推测该物探低阻异常为底板下裂隙发育、砂岩富水性较强所致，巷道掘至异常附近，可能伴随底板岩层破碎、出水的现象。

后经巷道掘进揭露显示（图2），异常附近出水，水量大小为10m3/h，水质类型为SO4（HCO3）-Ca型，pH值为7.34。出水点刚发现出水时，水量较大，随后开始减小至2m3/h，由于掌子面为巷道最低，矿山压力较大，且底板破碎，导致出水。

由于巷道距离奥灰顶界面较近，为进一步验证底板裂隙未发育至奥灰层位，施工定向水平钻，位于底板下20m附近（图2中黑色虚线为钻探轨迹），并未出现出水或其他异常，验证了物探成果中异常垂向发育在底板下10m附近的推测。

6结论

①直流电法和瞬变电磁法超前均能较为准确的探测、预报掌子面前方的水文地质异常。

②直流电法超前探能较为准确定位异常体的横向距离，瞬变电磁法超前探则分辨异常体的垂向位置，两种方向相结合，互相补充，互相验证。

③瞬变电磁法采用电感校正等处理方法为可能出现同一测线不同测点计算出不同的校正系数，产生一些不利于解释的结果，因此需要进一步的研究瞬变电磁法的处理解释方法。

最后由衷的感谢参与课题和施工的集团公司及煤矿的相关人员。

参考文献

[1] 韩德品，赵谱，李丹.矿井物探技术应用现状与发展展望[J].地球物理学进展，2009，24（5）：1839-1849.

[2] 韩德品，李丹，程久龙，等.超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法[J].煤炭学报，2010，35（4）：635-639.

[3] 张平松，刘盛东，李培根，等.矿井瞬变电磁探测技术系统与应用[J].地球物理学进展，2011，6：1107-1114.

[4] 李貅.瞬变电磁测的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社， 2002.

[5] 张倚瑞，李瑜，李明星.跟踪直流超前探在黄玉川煤矿的应用[J].煤炭技术.2014，33（5）：73-75

[6] 范涛，赵兆，吴海.矿井瞬变电磁多匝回线电感影响消除及曲线偏移研究[J].煤炭学报.2014，39（5）：932-940.

[7] 李明星，肖林通，张倚瑞，等.瞬变电磁粒子群优化反演研究[J].煤炭技术.2014，33（9）：302-304.