矿井灾害预防的关键技术及应用

沈福斌，周子鹏，古 瑶，耿 清

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

我国的矿井水文地质条件是世界上最复杂的国家之一，水害一直困扰着煤矿的生产。尤其是在煤层厚度较大的矿井，随着导水裂隙带增高，受水害的威胁越大，甚至还有大量的煤炭资源由于煤层上部水害及构造的发育而不能及时开发利用，长期形成滞留储量，故提前做好矿井水体、构造的探测是矿井灾害预防的关键技术，必须加以重视。

1 水文探测的工作原理及装置

1.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法(TEM)观测的是二次场，可在近区进行观测(采用重叠回线装置)，属于全空间效应的勘探方法。其原理是利用不接地回线在井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈，并在其周围空间产生稳定的一次电磁场。当电流突然断开时，由该电流产生的磁场也立即消失，为维持电流断开之前存在的磁场，岩层中被激发出感应电流，产生相应的感应磁场。发射电流断开的瞬间，最初激发的感应电流集中于巷道附近岩层中，随着时间的推移，巷道周围的感应电流逐渐向外扩散，其强度逐渐减弱。在断开发射电流的任一时刻，感应电流在巷道内产生的磁场，可以等效为一个水平环状的电流磁场，这些等效电流环像从发射回线“吹”出来的一系列烟圈，因此将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”，如图1所示。

图1 “烟圈效应”示意图

瞬变电磁勘探有多种工作装置，常用的有偶极-偶极装置、大定回线源装置、同点装置，由于同点工作装置具有定向性好，具有测深测量和剖面测量的双重工效及占地面积小等优点，适合于井下全方位探测，且探测距离大、分辨率高、施工快捷，故选择同点工作装置的重叠回线形式工作。

1.2 无线电磁波透视法

无线电磁波透视法也称坑透法，电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性不同，对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗。因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释，如图2所示。

图2 无线电波透视探测原理示意图

2 数据采集、资料处理及解释

2.1 矿井瞬变电磁法数据采集

仪器：矿井瞬变电磁法采用国产YCS111矿用本安型瞬变电磁仪，该该仪器具有抗干扰、轻便、防水、防尘和自动化程度高等特点。

施工参数：采用2 m×2 m正方形回线，发射回线40匝，接收回线60匝，叠加次数为64次。

数据采集：工作面顶板探测时，按照与巷道顶板方向不同夹角进行探测，以改变线框水平夹角实现对巷道顶板砂岩含水性的探测，如图3(a)、(b)、(c)所示，点距一般为10 m最合适。

2.2 无线电磁波透视法数据采集

仪器：无线电磁波透视法采用WKT-E型无线电波坑道透视仪，发射机和接收机为矿用本质安全型。

施工参数：发射频点可选用0.088 MHz、0.158 MHz、0.288 MHz及0.396 5 MHz。频率越小，穿透力越强，探测距离越大，反之，穿透力越弱，探测距离越小。当工作面>200 m时，一般采用0.088 MHz发射，当工作面>150～200 m时，一般采用0.158 MHz发射。

数据采集：无线电波透视法一般在两巷道间进行，如在回风巷布置发射点，向煤层中发射某一频率电磁波，在机巷安置接收机观测电磁场场强H信号。发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点上，接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值。一般发射点距50 m，接收点距10 m。每一发射点，接收机可相应观测11～20个点，如图4所示。

2.3 矿井瞬变电磁法资料处理

处理流程：TEM资料处理工作流程如图5所示。

a-与巷道顶板方向垂直；b-与巷道顶板方向30°;c-与巷道顶板方向60°图3 顶板探测方向示意图

图4 无线电磁波透视法发射与接收范围示意图

图5 瞬变电磁法资料处理流程图

曲线圆滑：主要是利用小波变换对曲线进行圆滑处理。

视电阻率计算：利用编辑矫正后的数据计算得到其视电阻率值。

视深度计算：利用前面模块的计算结果，计算得到相应的视深度值。

自动绘图：自动链接内嵌的绘图软件，绘制视电阻率等值线图。

2.4 无线电磁波透视法资料处理

采用的技术：无线电波透视法数据处理采用CT层析成像技术，其充分利用电磁波在媒质传播中的信息，利用高精度反演吸收衰减系数，大大提高资料解释的精确度和可信度，增强了异常的识别能力。

吸收系数值计算：利用SIRT算法(同时迭代重构技术)，根据矩阵方程计算各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系数成像。利用计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。

场强值的提取：对每个接收段接收多个背景值，取其平均值作为该段的背景值。对于各接收点的实测总场强值，减去背景值便为各接收点场强值，利用场强值绘制层析成像图。

2.5 资料解释

无线电磁波透视法：巷道揭露有冲刷、裂隙发育的情况下与断层相似，场强衰减逐渐增大，吸收系数逐渐增大，接收场强值逐渐变小，曲线变缓陡，出现“拐点”或“突变点”。在CT层析成像图上，冲刷带引起的异常范围一般呈宽缓的“条带”状，曲线不闭合，吸收系数值逐渐变大；当工作面内出现基岩时，其异常曲线应为“U”字型，在CT层析成像图上，异常范围一般呈宽缓闭合的“圆形或椭圆形”状，曲线闭合，吸收系数值逐渐增大；在工作面内煤层倾角由缓倾斜变为倾斜或急倾斜及其过渡地段(或称扭曲段)，可以造成明显的透视屏蔽，吸收系数值增大。

3 综合应用

3.1 矿井瞬变电磁在工作面顶板水探测

工作面2-2煤层顶板岩层富水探测成果如图6所示。

图6 工作面内2-2煤层顶板上90 m(上)、60 m(中)、30 m(下)岩层富水探测成果图

从图中可以看出，煤层顶板上30～70 m之间，0#～30#点(即距停采线1 300～1 600 m)附近，富水异常区规模较大，其含水性较好，存在联通；煤层顶板上90 m，0#～11#点(即距停采线1 490～1 600 m)附近，富水异常区规模相对较小，煤层顶板上30～50 m之间，85#～105#点(即距停采线550～750 m)附近，岩层含水性较好，可能存在联通。

3.2 无线电磁波透视法在工作面内隐伏构造探测

工作面内隐伏构造探测成果如图7所示。图7中场强及吸收系数影像图中均在相同位置出现两处异常，分别为1号异常和2号异常。其中1号异常为宽约1 m的基岩穿刺引起；2号异常为21303工作面延伸巷及其巷内积水现引起，且在21303工作面延伸巷的左侧存在少量的裂隙发育。说明无线电磁波透视法反映成果与实际揭露情况相符。

图7 工作面场强(上)及吸收系数(下)影像图

4 结语

采用矿井瞬变电磁法，对老巷道积水、断层的含导水及对工作面顶板岩层富水进行探测。并利用数理统计结果，结合已知地质资料及相邻工作面解释经验，进行综合解释，成果可靠，效果明显。结论表明，矿井瞬变电磁法为煤矿井下水文探测最理想、有效的物探方法之一；无线电磁波透视法对探测工作面内隐伏构造效果明显。2种探测方法可为煤矿安全生产提供技术支持。