水文地质中超前探测技术探讨

■李锴　杨慧星

（1安徽理工大学地球与环境学院　安徽　淮南　232001；2中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队　山西　太原　030031）

水文地质中超前探测技术探讨

■李锴1，2杨慧星2

（1安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001；2中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队山西太原030031）

为了获得矿井采后覆岩破坏资料，为矿井采场的合理化布置及矿井防治水提供科学依据及安全保障，在工作面施工巷道中采用矿井瞬变电磁超前探测技术进行现场实测，为矿井安全生产管理提供有效的技术参数。

矿井瞬变电磁超前探测技术水文地质应用

1　引言

煤矿覆岩破坏参数是矿井合理留设防水煤柱的科学依据，是保障矿井安全生产、提高煤炭资源回收率的前提。覆岩破坏参数受地质、水文地质、开采方式、工作面推进速度、采高、工作面宽度等许多因素的影响。而地质及水文地质条件是影响覆岩破坏的重要因素，由于不同矿区、不同井田的地质条件千差万别，甚至同一井田不同煤层、不同采区、不同水平其地质条件也存在着一定的差异，因此矿井开采设计在防水煤柱留设时不能仅以临近矿区、临近井田的覆岩破坏参数为依据，必须以本井田大量的实际测量值为依据。

长期以来，探测采后煤层顶、底板岩层破坏高度与深度的方法，主要采用钻孔冲洗液简易水文观测分析法和钻孔压、注水实验法。它们依据冲洗液消耗量和水压降的变化来判定导水裂隙带高度等参数。由于施工探测钻孔难度大、成本高，所获取数据、资料在精度上不同程度地受到施工人员技术、经验水平等方面的制约。因此，特别需要采用更加先进科学的探测技术与方法为生产服务。目前在工程技术探测方面有着广泛的应用前景，几年来先后已在淮南、国投新集、皖北、淮北及河南义马等矿业集团完成近30个裂高钻孔的测试任务。该方法同传统的钻探方法相比，它可查明探测区域内的地质形态，通过在时空域中的多次对比，来获取煤岩层在采前的赋存形态和采后的破坏形态，以及相关的其他地质信息资料。

为了获得矿井采后覆岩破坏资料，为矿井采场的合理化布置及矿井防治水提供科学依据及安全保障，在该工作面施工巷道中采用矿井瞬变电磁超前探测技术进行现场实测，为矿井安全生产管理提供有效的技术参数。

2　矿井瞬变电磁超前探测技术的原理

2.1基本原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在。

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

2.2探测方法

由于瞬变电磁法探测线圈法线方向为灵敏探测方向，因此，将发射接收线圈贴近于迎头或侧帮，则探测的电阻率变化主要反映该法线方向电性参数赋存情况。对于巷道迎头超前探测，线圈贴近迎头，法线方向指向迎头前方，移动距离通常为0.1~0.5m；在迎头拐角外，可调整一定角度向迎头侧前方探测，形成扇形观测系统

3　实例分析

3.1工作布置及要求

工作面风巷迎头掘进到A3点前16m，在迎头进行瞬变电磁法超前探测。该方法为非接触式探测，其线圈的法线方向即为所探测方向。因此现场探测较为方便快捷，利用发射和接收线圈的重叠回线装置进行数据采集。每0.3m布置一测点进行顶板、顺层及底板三个方向探测，探查迎头右侧及前方电性变化情况，现场共布置16个点。

现场探测时对迎头后方10m内杂物、铁器物件进行了清理，并进行了停电处理，降低对数据采集的影响。地质调查中发现，巷道迎头后方2.5m处左帮底板有少量渗水，迎头后方3.5m及8m处顶板有滴淋水；巷道右侧迎头至后方放有链板机，对探测数据采集具有一定影响。

4　探测数据处理与分析

将现场所采集到的瞬变电磁探测二次场衰减数据经专业的软件平台处理为晚期视电阻率剖面，并以视电阻率成像图表示，其中红色（暖色调）为高电阻率值，蓝绿色（冷色调）为低电阻率值，由冷色向暖色逐渐过渡。

数据处理与分析过程总体包括：三方向数据拆分-坐标系建立-数据预处理与校正-视电阻率计算-视电阻率成像-现有地质水文资料整理-图文地质资料综合对照分析-视电阻率异常标准确定-定性与半定量地质解释-异常区域圈定。

图1　风巷瞬变电磁超前探测视电阻率剖面顺层剖面

附图1为三方向视电阻率分布图，三幅剖面分别表示巷道迎头前方顶板方向、顺层方向及底板方向岩煤层视电阻率分布情况。从剖面中可看出本次探测视电阻率值总体较高，分布在0~60范围内。根据测区内煤岩体地质特征及以往探测经验将低于10区域解释为低阻异常区。由瞬变电磁探测特点存在10m左右的探测盲区。

（1）顶板视电阻率剖面：主要反应了顶板方向岩体电性变化情况。可以看出巷道迎头前方10~50m范围视电阻率明显大于50~100m段，且在巷道前方顶板右侧存在一处明显低阻异常区。从顶板地质条件分析，巷道顶部为较厚的中粒砂岩层位，裂隙较发育，因此可推断在该低阻异常区砂岩富水性增强，存在一定淋水现象。

（2）底板视电阻率剖面：主要反映斜向底板方向的剩余煤层及底板岩层电性变化。可见在10~70m段高阻值分布较广，在70~100m段仅存在零星低阻值，无明显范围较大的低阻异常区。从地质条件分析，由于煤层倾斜使得勘探体积内受煤层影响较大，且底板为砂质泥岩，因此推断在探测范围内底板富水性较差。

（3）顺层视电阻率剖面：主要反映了迎头前方电性变化，可见顺层剖面的分布特点与顶板剖面类似，即在10~50m范围阻值要明显高过50~100m段。不同的是顺层剖面右侧阻值较低。在该剖面中圈定两处低阻异常区，分别编号为YC2和YC3。YC2位于巷道左前方70m处，YC3于巷道右侧40m外。从地质条件分析，推断两处异常由岩性变化或富水性变化所引起。

[1]张戢.坑道无线电波透视法在探测井下陷落柱中的应用 [J].科技情报开发与经济，2006.16(19).

[2]赵益晨.无线电坑道透视技术在高阳矿的应用效果 [J]。煤矿现代化，2005， (03).

P641.72[文献码]B

1000-405X（2016）-9-120-1