瞬变电磁法在采面顶板岩层富水区的探查应用

常丰国

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

常村煤矿主采3#煤层。本煤层5302工作面受上部老空水、顶板砂岩水、覆岩结构离层水等水害威胁。为避免工作面产生突水事故，确保安全生产，必须在工作面回采前探清工作面上方的含水构造[1-4]。瞬变电磁法具有操作简单，施工效率高，低阻探查灵敏，探查结果准确及探查信息全面等优点，是目前矿井水文地质探查方法中的首选[5]。因此，常村煤矿采用瞬变电磁法对5302工作面上覆富水异常区进行了探查，结合三维数据可视化软件，绘出5302工作面的顶板视电阻率等值线三维切片图，查明了5302工作面顶板的富水异常区。通过钻探手段进行验证，证明物探结果的准确性，为5302工作面的顶板防治水工作提供了可靠的技术支持。

1 探查地概况

常村煤矿主采石炭二叠系3#煤层，5302工作面为该矿备采工作面。工作面走向长度1 500 m，倾向长度260 m；平均煤厚4.2 m，煤层倾为4°；煤层顶板以上28～47 m段为K8灰岩含水层，53～80 m段为K10灰岩含水层。工作面顶板上方围岩因采动影响形成的裂隙或发育的断层等构造有导水可能。因此，在回采前必须探明富水异常区的分布并采取可靠的防治水措施，以确保工作面的安全生产。

2 瞬变电磁原理分析

瞬变电磁法（Time domain electromagnetic methods）又称时间域电磁法，简称TEM。其原理简单来说就是以电磁感应定律为基础，利用不接地回线向探测方向进行脉冲磁场发射，在井下导电岩体中形成感应电流，脉冲磁场发射间隔中，利用线圈观测二次涡流场的变化，并根据探测物本身的电磁传导参数的不同来判断探测方向是否存在地质构造。

通过线圈所观测的二次涡流场变化主要是电磁场的扩散速度及电磁场范围内的煤岩体视电阻率强弱分布和变化造成的。其中电磁场的扩散速度是随周边构造物的电磁传导性的变化而变化的。电磁场的传播速度计算见式（1）。

式中：v为电磁场传播速度；σ为导电率；μ0为真空磁导率；t为电磁场衰减时间。

经计算分析可知，二次涡流场的扩散和衰减速度与探测区域的电流传导性有关，呈正比关系。

巷道中瞬变电磁法探测的目标区域附近的视电阻率可通过反推二次涡流场观测数据得到，其分布情况及变化情况计算见式（2）。

式中：ρt为视电阻率；B为井下巷道内工作装置与地表工作装置间的比例系数；C为空间响应的系数；S/s为发射与接收回线的面积；N/n为发射与接收回线的圈数；V为接收的归一化二次场电位；I为供电强度。

3 瞬变电磁法井下探查

3.1 物探设计

5302工作面走向长度为1 500 m，倾向长度为260 m，面向切眼左侧为53021巷道，右侧为53023巷道。本次瞬变电磁探查设计使用型号为YSC160D的矿用型瞬变电磁仪，回线面积为2 m×2 m，发射回线圈数为26圈，接收回线圈数为60圈。设计沿左右两巷全工作面探查，两条巷道以切眼向外各布置5条探测线，每10 m设置一个探测站，各探测站的探测方向为顺煤层0°、顺顶板15°～30°～45°～60°。5302工作面瞬变电磁探测方向布置见图1。

图1 工作面瞬变电磁探测方向布置

3.2 视电阻率反推分析

井下瞬变电磁数据采集完成后，将探测数据采用TemProcess精密分析技术进行全方位分析解释，得出全工作面内的视电阻率成果数据，并基于探测位置及深度将成果数据进行进一步处理，建立工作面视电阻率三维模型，见图2。该模型原点O为53023巷道与切眼交点，X轴方向为切眼沿53023巷道向外，Y轴方向为53023巷道向53021巷道，Z轴方向为工作面顶板方向。

图2 工作面视电阻率三维模型

工作面倾向长度为260 m，探测站到切眼的距离表示为A，探测站沿探测方向的距离表示为B，三维坐标轴原点O 为53023 巷道与切眼交叉点，则53023巷道内探测站空间位置在三维坐标系内为A，Bcosθ，Bsinθ；53021巷道内探测站空间位置在三维坐标系内为A，260-B-cosθ，Bsinθ。其中θ为探测站探测方向与工作面顶板的夹角。

工作面视电阻率三维模型建立完成后，采用三维数据可视化软件Voxler将K8砂岩及K10砂岩内含水层与工作面顶板相对位置的视电阻率等值线制成三维数据，最后应用相关软件将其成图。工作面的顶板视电阻率等值线三维切片见图3。

图3 工作面顶板视电阻率等值线三维切片

视电阻率等值线三维切片显示，在工作面内存在视电阻率不足10 Ω·m区域共有三处，分别是YC1、YC2、YC3。这三处区域显示视电阻率过低，判断区域异常富水。其中YC1区域位于工作面切眼向外方向200 m范围内，切片形状显示为面状，应为向斜轴局部应力集中区，区域裂隙发育，裂隙水丰富；YC2区域位于工作面切眼向外方向650～750 m范围内，切片形状显示为条带状，应为该区域岩层应力集中破裂，破碎带内含水丰富；YC3区域位于工作面切眼向外方向1 400～1 500 m范围内，切片显示形状为椭圆型，应为该区域内岩层呈环状下沉，陷落柱裂隙带内分布大量地下水。

3.3 视电阻率分布三维建模

通过三维数据可视化软件Voxler对工作面视电阻率等值线三维切片数据进行三维模型建立，将5302工作面内视电阻率低于10 Ω·m的区域在三维模型中展开，将低阻异常区空间位置、范围形状以及特征可视化，为工作面的地质分析工作提供精确直观的数据支持。根据工作面整体视电阻率的分析评估，判断视电阻率低于10 Ω·m的低阻异常区为富水区域。工作面顶板10 Ω·m视电阻率三维模型见图4。三维模型中显示，视电阻率为10 Ω·m的区域分布集中在工作面顶板以上50～80 m范围及工作面顶板以下80～100 m范围内。

图4 工作面顶板10 Ω·m视电阻率三维模型

4 物探成果钻探验证

为进一步验证瞬变电磁法在5302工作面内的物探成果，采用打钻的方式对判断的富水异常区进行钻探验证。本次钻探验证的成果数据见表1，在53302工作面中53021及53023两条巷道各施工3个钻场，共计施工6个钻场，每个钻场3个孔，共计18个钻孔。其中53021巷道1#钻场3#钻孔及3#钻场2#钻孔有少量出水，出水钻孔分别位于切眼向外80 m处及切眼向外1 430 m处。1#钻场3#钻孔在钻进71.8～76 m位置时有少量出水，3#钻场2#钻孔钻进96～109 m位置时有少量出水；53023巷道内5#钻场2#钻孔有少量出水，出水位置位于切眼向外766 m处，钻孔钻进98～117.6 m位置。

表1 5302工作面富水异常区钻探情况

为了确定上述3个出水钻孔的出水层位，对孔内出水位置进行了窥察并拍摄照片。照片显示53021巷道1#钻场3#孔内71.8～76 m处、3#钻场2#孔内96～109 m、53023巷道5#钻场2#孔内98～117.6 m处，孔壁均有少量出水。结合钻孔轨迹定位，显示以上3个出水钻孔的钻进轨迹均产生了不同程度的向下偏移，角度偏差较小，影响不大。根据地质资料判断，1#钻场出水层位位于煤层顶板以上40～45 m范围，确定出水层位为K8砂岩含水层；3#钻场出水层位位于煤层顶板以上61～68.8 m范围，确定出水层位为K10砂岩含水层；5#钻场出水层位位于煤层顶板以上62～73.3 m范围，确定出水层位为K10砂岩含水层。出水钻孔孔内出水位置见图5。

图5 出水钻孔孔内出水位置

经上述钻探验证，证明了瞬变电磁法在井下水文探查成果的准确性，成果中YC1富水异常区含水层位位于K8砂岩含水层中，YC2、YC3富水异常区含水层为位于K10砂岩含水层中。

5 结语

通过常村煤矿5302工作面中瞬变电磁法富水异常区的探查，证明其在井下水文探查的成果准确可靠。通过工作面视电阻率等值线三维切片以及低阻异常区的三维建模，详实直观地展示了工作面中富水异常区的分布位置及形状范围。最后通过钻探验证，确定富水异常区所在的出水层位，为矿井防治水工作提供了可靠的技术支持。