随钻钻孔电磁波层析成像技术在超前探水中的应用

魏川博

（大同煤矿集团有限责任公司技术中心山西大同037003）

1 引言

我国煤矿井下地质条件复杂，矿井水害严重威胁煤矿安全生产。据国家安全生产监督管理总局统计，水害在煤矿重、特大事故中是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害，因此解决水害威胁具有不可估量的意义。煤矿现使用的物探方法主要是瞬变电磁法、直流电法与钻探三种方法相结合的探水方案。其在安全性、普适性和准确性上优势明显，但是也存在不足，如钻探在多角度打多个钻孔上不仅耗时耗力，且只能探明掘进直线上的水文地质情况，瞬变电磁法及直流电法受周围环境影响严重等。为弥补不足，研发了随钻电磁波层析成像设备及其分析系统。

2 随钻电磁波层析成像探测原理及探测方法

电磁波层析成像技术（Electromagnetic Tomogra⁃phy，简称EMT），又称为无线电波透视法。这种方法来源于医学中常用的CT（Computerized Tomography）技术，即所谓的计算机层析成像技术，它属于投影重建图像的应用技术之一，其数学理论基于Radon变换与Ra⁃don逆变换，即根据在物体外部的测量数据，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布，并由计算机以图像形式显示的高新技术。[1]

2.1 探测原理

众所周知，频率域电磁法的基本原理是以平面波入射的不同频率的天然电磁场向地下传播过程中，在地球介质中感生出二次电磁场，通过在地面观测入射的和感生的不同频率的电磁场信号Hx、Hy、Hz、Ex、Ey，求解地下电阻率分布及有关电性结构参数。[2]

随钻电磁波探测属于频率域电磁测深法，一般采用正弦波规律变化的交变电流场源的激励，在钻孔周围形成谐变电磁场，并且在钻孔周围围岩中感应出二次电场，二次电场电流密度的穿透深度依赖于频率，对于高频由于趋肤效应，电流密度集中在钻孔近处，而低频其穿透深度深，电流密度集中在钻孔远处。在钻孔电磁波层析成像的频率域电磁法中，一般认为有效勘探深度是离钻孔半径振幅衰减e 倍的深度，即趋肤深度，用趋肤深度的有效值代表电磁波的勘探深度，写成便于应用的数值方程形式为：

其中z效为电磁波有效探测深度，m；ρ 为电阻率，f为频率，μ 为磁导率，ε 为介电常数。通过对有效探测深度和观测和电磁场特征的研究来预测地质构造异常、地下含水层的分布情况。

（1）地电特征研究：对各矿可采煤层、顶底板岩石电性参数调研统计，提出典型电性地质模型。

（2）采空区积水在物探资料上的特征研究：通过对各矿采空区积水区的大量探测工作，总结瞬变电磁法在有积水时解释资料上的特征，从而准确判断积水的存在并估算积水量，为煤矿的开采提供可靠的地质依据。

2.2 探测方法

随钻电磁波层析成像技术相比于现有的超前预报设备和方法，其优势之一是随钻，即将它的探测探头安装于钻孔钻机的钻头和钻杆之间，通过螺纹连接并置于正在钻进的钻孔中，探测探头根据钻杆的工作状态自动探测，探测时通过发射接收不同频率的一组电磁波来完成探测钻孔周围不同半径的岩层地质的岩层地质特征，判断钻孔周围一定范围内有无含水体等有害地质体。当钻孔完成并在探测探头退出钻孔后，可以把探测探头的数据传输到现场主机，现场主机可计算每一个探测点处的钻孔周围不同半径的地层的视电阻率，并生成整个钻孔周围不同半径的地层的视电阻率，并生成整个钻孔深度不同半径的视电阻率图谱，根据视电阻率图谱可以判定以钻孔轴线为中心圆柱体空间内的地质特征，分析判定地层是否存在含水体或含水地质构造等。[3]

图1 随钻钻孔电磁波层析 成像探测方法示意图

图2 随钻钻孔电磁波层析成像 现场主机的结构框图

图3 随钻钻孔电磁波层析成像现场探头的结构框图

3 现场应用

3.1 燕子山煤矿概况

燕子山井田位于大同煤田西北边缘，左云县与大同市的交界处。属神头泉域北部边缘，区域南部为强烈侵蚀的中高山区。区域北部为以河流侵蚀为主的低山丘陵区，东西向展布的十里河、淤泥河河床开阔，河床两侧则过渡为丘陵低山地貌。燕子山井田位于区域中部十里河南侧，井田一带海拔一般在1 250 m～1 450 m之间。

燕子山煤矿试验地点是302 采区8202 工作面，地面标高为1 328 m～1 406 m，工作面标高为910 m～950 m。地面位置位于小蒜沟保护煤柱以南，马脊梁沟以西的山梁地带，地面有少量杨树，盖山厚度434 m～462 m。井下位置位于山4#层302盘区，东部为山4#层盘区巷，南部马脊梁矿井田边界，西部为山4#层可采边界，北部为8204 设计工作面。对应上覆为马脊梁矿7#、11#、14-2#、14-3#层采空区。

8202 工作面煤层结构复杂，有2 至4 层厚度为0.1 m～0.5 m的夹石，煤层厚度4.00 m～7.60 m/6.10 m、属厚煤层，煤厚变异系数为10.5%、系稳定煤层；煤层产状稳定走向大致呈东西，倾向北，倾角平均3°。老顶是粗、细砂岩、砾岩、高岭岩，厚度为13.56 m，岩性为白色，含少量暗色矿物，胶结致密。直接顶是中、细砂岩、高岭岩、砾岩，厚度为8.80 m，岩性为灰白色，成份为石英、含少量长石，泥质胶结。直接底是高岭岩，厚度为3.82 m，岩性是灰白色，含少量石英、少量暗色矿物。2202巷采位1 645 m处揭露落差为1.6 m的正断层，对回采有一定影响。于采位32 m～72 m 揭露一处0.1 m～3.3 m的冲刷，预计对回采影响范围45 m，对回采影响较大。5202 巷采位973、1714、1 768 m 处分别揭露落差为1.0 m、1.5 m、1.5 m 的正断层，对回采有一定影响。水文地质类型为中等，4#煤层上覆有永定庄砂岩裂隙含水层和大同组层间裂隙含水层及山西组底部K3 砂岩裂隙水。K3 砂岩距4#层底部一般10 m 左右，岩性为灰白色中粗砂岩为主，胶结较为疏松，有水蚀痕迹和氧化锈斑。

3.2 现场试验方案设计

此次试验使用武汉长盛煤安科技有限公司的YZT-12随钻电磁波探水仪。

表1 YZT-12随钻电磁波探水仪主要技术指标和工作参数表

使用电机额定功率为22 kw 的XYJ-1000/135 型架柱式液压回转钻机在燕子山矿4#层302盘区5202巷765 m 处开试验钻孔，采用直径65 mm 钻头钻进,钻杆直径42 mm，方向角235°，角度3°，深度21 m，钻杆推进，边钻边测。

3.3 钻孔施工及结果分析、验证

依据上述设计进行了现场探测，探测数据经软件处理后生成的视电阻率图谱如图4。

图4 中由紫色到红色表示视电阻率越来越大，视电阻率越低即出现含水体的可能性越大，视电阻率越高则出现含水体的可能性越小。

图4 燕子山矿随钻电磁波探测结果视电阻率图谱

从探测数据图像分析：图4 显示左侧蓝色区域为钻进时的钻孔水引起的低阻异常信号，有效测试距离为25 m～30 m。图形右侧红色区域为高阻体，绿色区域为低阻体。由此可知钻孔周围无明显含水体存在。钻孔周围近距离因钻孔水造成煤层湿润引起低阻异常，随着远离钻孔，钻孔水造成煤层湿润程度减小，煤层电阻逐渐增大，说明探测效果较好。为验证探测结论，探头取出后在图5所示位置分别以如下表2中参数打验证钻孔，用来验证试验结果准确性。

图5 二叠系山4#层302盘区（南）地质平面图截图

图6 4#层302盘区8202工作面5202巷实测地质剖面图

表2 验证钻孔参数

图7 试验钻孔钻探布置平面图

验证钻孔均未探出水，结果显示试验钻孔周围不存在含水体，根据煤矿提供已探明地质情况资料并结合钻孔验证结果分析，可知随钻电磁波层析成像超前探水结果与钻孔验证结果基本吻合。

4 结论

先采用随钻电磁波层析成像技术超前探水，随后钻探验证随钻探水技术的准确性与可靠性。设备有效探测范围约以钻孔为中心扩散半径30 m，以一孔代替多孔，而且减少钻探长度，极大提高工作效率。设备以无线传输取代有线传输，轻便方便携带，节约空间。此外该技术具有克服塌孔因素、克服人为因素的优点，可以探明未知地质构造，为后续安全生产提供保障。