物探技术在超前探测矿井含水层富水性中的应用

赵磊，胡建华，周坦，敖长金，吴晓明，王德华，敖美玲

(1.湖北三宁矿业有限公司，湖北 宜昌市 443100；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410000)

0 引言

矿井涌水、突水、透水等水害会对生产安全和施工进度产生严重影响，水害的超前预测对矿山资源开采具有重要意义。虽然钻探方法探测准确，但只能探测钻孔及其周围的地质状况，增加钻孔又会增加劳动强度、延长钻探时间、增加施工成本，不能完全预测工作面前方的含水情况，且钻探钻孔易成为导水通道，存在潜在的诱发突水风险。

瞬变电磁法具有体积小、方向性强、施工便捷、探水距离远的特点，对高阻围岩内的含水构造有较高的分辨能力，当岩层完整性发生较大变化，或存在较多的裂隙孔隙，岩层电阻率会显著升高，或者呈现出一定的波动性；若上述裂隙区被水充填，岩层之间原来几乎绝缘的空隙再次被连接，岩层的电阻率显著下降，这样就会使得富水区域表现出明显的低电阻特性，能够较准确地探查采掘工作面前方富水异常区域和含水地质异常体及其含导水性，为井下水害预报和防治提供有效的技术指导[1-3]。因此，在矿井日常防治水工作时，预先进行物探超前探测，然后对异常区域进行钻探验证，做到有的放矢，极大提高了探水效率，确保安全的同时可显著降低探水成本[4]。麻坪磷矿550斜坡道掘进至震旦系上统灯影组含水层时，为了确保快速安全掘进，真正做到“有疑必探、先探后掘”，采用瞬变电磁法超前探测作业面迎头前方150 m的低阻体异常及分布范围，分析探测区内含水构造形态及水力联系，有针对性地布置钻探。本文对该技术的应用和取得效果进行了阐述和总结，可为类似矿井含水层的富水性探测提供借鉴和指导作用。

1 工作原理

瞬变电磁探测技术是矿山工程领域应用较为成熟的重要勘探手段之一，以法拉第电磁感应原理为工作原理，在矿井内硐室、巷道、采场或掘进迎头向预探测方向发射脉冲电磁波，在脉冲时间的间隔期，通过感应线圈或接地极等设施来进行观测、剖析介质所产生的二次感应场，根据探测介质电阻率的变化规律来预测异常地质体的分布和状态。地下工程中的岩体、矿体、含水和导水结构的导电性能、磁性千差万别，由这些不同的地质体引起的涡流而产生的二次感应场就可分析预测地下矿体的赋存状态以及含水性、导水性等地质构造情况[5-6]。

2 地下矿山应用的特殊性

与地面工程相比，地下矿山瞬变电磁具有显著的岩土工程行业特点。因井下巷道内存在如照明、防尘洒水、注浆、锚网、矿用工字钢、管道电缆等各种金属材料，这些材料将对矿井瞬变电磁场产生强烈的影响，这是与地面工程环境应用瞬变电磁法的显著区别。由于受井下作业环境和空间的限制，采用小线圈装置，数据采集较为便捷且采集效率高[7]。

3 探测方案

本探测方案的工作布置方法如下。

沿作业面迎头布置3条测线，分别为顶板（斜向上30°方向）、顺层方向和底板（斜向下30°方向），如图1所示。根据工程需要，每条测线上设置 11个物理节点，合计33个物理节点，如图2所示。利用在掘进迎头移动发射接收线圈，形成3个方向的视电阻率断面扇形图。

图1 勘探测线纵剖面布置

图2 勘探测线横剖面布置

4 探测成果释义

4.1 作业面30°斜向上（顶板）视电阻率断面扇形图释义

图3为作业面掘进头30°斜向上（顶板）视电阻率探测扇形剖面，解译如下：

图3 作业面掘进头30°斜向上视电阻率断面

（1）该条测线的左帮40～150 m，角度在左帮0～5°之间，存在低阻异常区域（已用红色线圈出）；

（2）该条测线的左帮100～150 m，角度在左帮 35°～55°之间，存在低阻异常区域，（已用红色线圈出）；

（3）该条测线的正前、右帮90～150 m，角度在右帮 90°～180°之间，存在低阻异常区域（已用红色线圈出）。

4.2 作业面顺层方向视电阻率断面扇形图顺层方向释义

图4为作业面掘进头前方顺层方向视电阻率探测扇形剖面图，解译如下：

图4 作业面掘进头顺层方向视电阻率断面

（1）该条测线的左帮100～150 m，角度在左帮35°～55°之间，存在低阻异常区域（已用红色线圈出）；

（2）该条测线的正前、右帮110～150 m，角度在右帮 90°～180°之间，存在低阻异常区域（已用红色线圈出）。

4.3 作业面30°斜向下（底板）视电阻率断面扇形图释义

图5为作业面掘进头30°斜向下（底板）视电阻率探测扇形剖面图，解译如下：该条测线的正前、右帮120～150 m，角度在右帮90°～160°之间，存在低阻异常区域（已用红色线圈出）。

图5 作业面掘进头30°斜向下视电阻率断面

5 结论与建议

5.1 结论

（1）根据作业面视电阻率断面图，结合物探综合探测方向，可知该巷道斜向上30°方向存在多处低阻异常区域，可能存在多处裂隙发育带导水情况。该巷道顺层方向左帮、正前方及右帮存在相对低阻区域，反应强烈，低阻区域明显，由于作业面处于含水层，所以顺层方向正前方及右帮为作业面掘进重点关注防范部位。斜向下30°方向探测结果显示右侧存在明显异常。

（2）结合地质资料分析，对低阻异常区域设计钻孔、打钻验证，必要时进行疏放水，确认安全后方可掘进。

（3）本次矿用瞬变电磁法物探按照“物探先行、钻探验证”程序开展工作，坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则，提高了防治水安全保障的水平。根据施工情况表明，物探及钻探结果与井下实际情况吻合，“两探”都得到了互相验证，瞬变电磁法在矿井井下探水应用效果良好，可以作为大范围探水的首选方法，为矿井井下水害预报和防治提供便捷经济有效的技术指导。

5.2 建议

（1）异常区的划分是相对的，而且划分的主要依据是视电阻率值的高低，但引起电阻率变化的因素是多样的，因此物探结论存在多解性，物探结果为钻探提供了参考依据。

（2）金属干扰问题不可避免，在本次探测中，既有管道电缆影响又有锚杆锚索影响，干扰复杂、严重，使探测结果存在一定的偏差。所以，需要不断优化，采取措施减少干扰，如机械设备处于断电停运状态，尽量减少人为电磁噪声，尽量由专人操作设备。

（3）加强对掘进工作面顺层方向左帮、正前方及右帮的水情观测及排水工作，安装足够排量的排水泵及排水管路，在掘进头低凹处挖掘泵坑，及时排除巷道积水。掘进过程中若遇淋涌水，应进行截水，工人穿雨衣并加强顶板观察。

（4）在雨季来临之前，应加大地表巡查力度，如有发现采动裂缝或地表塌陷应及时用土回填压实，必要时注浆加固；对地面基岩露头及火烧区周围挖筑拦洪水沟。同时，加强对河道流量监测，发现问题应立即汇报、及时处理。遇强降雨天气执行《雨季三防应急预案》紧急撤人[8]。