瞬变电磁法在某煤矿原煤运输大巷掘进超前探中的应用

李爱生LI Ai-sheng；王凯飞WANG Kai-fei；霍卫民HUO Wei-min

（中国冶金地质总局第三地质勘查院，太原 030032）

0 引言

根据《煤矿防治水规定》要求，井下进行探放水作业前，必须先期开展井下超前物探工作，进一步查明矿井生产范围内的地质、水文地质条件，以指导井下探放水设计，确保矿井生产安全。本次探测依据某煤矿矿井水文地质资料，探测输送机大巷36#钻场100m 范围内富含水异常区分布情况，为布置探防水钻孔设计提供依据。

1 矿区煤层地质

矿区含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组、中统本溪组。

山西组厚度17.56～62.35m，平均厚度34.25m，仅在个别钻孔中偶见1～2 条煤线，各煤层均为不可采煤层。

太原组厚度63.74～113.48m，平均厚度91.61m，共含煤8 层，编号为2、3、4、5、6、7、8、9，煤层总厚18.09m，含煤系数19.7%。其中4、9 号煤层为全区赋存、全区稳定可采，5、6 号煤层为分叉区赋存、分叉区可采，3 号煤层为全区赋存、部分可采，7、8 号煤层为零星赋存、零星可采。

2 号煤层：位于太原组顶部，上距山西组底部K3 砂岩0.00～7.90m，平均2.16m。煤层厚度1.85～8.28m，平均5.72m；含夹矸0～5 层，一般为1～2 层，夹矸岩性多为黑色泥岩、炭质泥岩，煤层结构简单；顶板为砂质泥岩、泥岩，个别孔为中粗砂岩，底板为砂质泥岩、泥岩。井田北部煤层较厚，南部较薄，总体有从北到南逐渐变薄之趋势。属稳定煤层，全区赋存，全区可采。由于煤层赋存浅，大部已被民采！遗留大量民采洞。

4-1 号煤层，其煤层厚度在6.0～8.6m 之间，平均厚度6.6m，赋存较稳定。其直接顶为灰白色、中-细粒长石石英砂岩（K3 砂岩），厚约0.8～20.4m，平均5.8m，水平层理；直接底板为灰黑、灰白色、粉（细）长石砂岩及泥岩，厚约6.5～12.5m，平均7.8m，水平层理。与4-2 煤层间距为6.5～4-2 号煤层厚度在2.5～3.2m 之间，平均厚度2.8m，其直接顶为灰黑色泥岩，厚约3.8～4.4m，平均4.2m；直接底板为灰黑、灰白色、粉（细）长石砂岩及泥岩，厚约6.5～12.5m，平均7.8m，水平层理。顶底板较平整，局部凹凸不平，裂隙不很发育。

9 号煤层：位于太原组中下部，赋存于井田西部至北部地区。上距8 号煤层0.00～17.05m，平均7.74m。煤层厚度1.41～5.72m，平均4.31m；含夹矸0～1 层，一般为1 层，多为黑色泥岩、砂质泥岩，煤层结构简单；顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、炭质泥岩。全区赋存，全区可采。

本溪组厚度10.30～34.26m，平均厚度20.17m，仅在个别钻孔中偶见1～2 条煤线，各煤层均为不可采煤层。

2 矿区水文地质

①地表水：地表沟壑发育，但无积水区，只在雨季为过水沟，最大过水量50m3/h。工作面煤层埋深200～273m，掘进期间地表水对施工影响甚微。

②煤层顶板砂岩裂隙含水层：工作面上覆山西组地层P1s，厚度40～54m，平均厚48.2m，主要由灰色、灰白色砂岩，灰黑色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩组成，是本面开采的主要顶板充水含水层。本组地层埋藏较深，接受上伏含水层组的补给条件差，富水性不均匀，q=0.00015～0.479L/s.m，为极弱富水程度。掘进过程中局部顶板会出现淋水现象，对掘进影响甚微。

③煤层底板太原组砂岩裂隙含水层：工作面煤层下伏太原组砂岩含水层，厚度45～64m，平均厚58.0m，主要由灰色、灰白色砂岩，灰黑色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩组成，是工作面底板充水含水层。因含水层埋藏较深（为250-300m），补给条件差，补给面积很有限，含水层一般为极弱富水程度，对掘进影响甚微。

④煤层底板奥灰含水层：主要是奥陶系马家沟组含水层，层厚约180m，4 煤与其层间距最小为94m。富水性不均一，富水带不稳定。本井田奥灰水位标高为1054.0m，经实测工作面煤层底板标高最小为1062m，均大于1054.0m，工作面不受底板奥灰承压水的威胁。

矿区内主要可采煤层（4、9 号煤层）均处于太原组中。太原组沙岩类孔隙水含水层是煤层顶底板直接含水层，煤层开采后孔隙水通过冒落带或导水断裂带直接进入矿井，是煤层开采的主要充水因素，其充水方式以淋水、滴水、渗水为主。其次在局部地段，如向斜轴部，由于砂岩含水层含水性相对较好，也可能会造成大量局部积水导致涌水现象。该区煤层埋藏较浅，煤层回采后形成的导水裂隙带在局部有可能与地表沟通，将导致矿井涌水量会明显增大或突水。另外，由于矿区小煤窑分布较多，尽管多数为充气小窑，但由于日积月累，一些小窑采空区也可能存在积水，给井下的安全生产带来严重影响。

3 矿井瞬变电磁法地球物理原理

在探测富水区的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是目前快速、有效的方法之一，其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性差异。理论上讲，干燥岩石的电阻率值很大，但实际上地下岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降，即赋水性的不均匀程度在瞬变电磁参数图件上反映为电阻率的高低变化；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率会明显降低，断面图上会有明显的低阻异常反映。正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当存在局部低阻异常体（裂隙带、富水区等）时，在断面上就会出现局部低电阻率异常区。正常地层的电阻率是依次递增的，当岩层富水时，其电阻率会降低，和围岩相比较形成低阻反映。为以导电性差异、电性感应差异作前提的瞬变电磁法探测技术的运用提供了良好的地球物理前提。

4 工作布置与技术措施

4.1 施工布置

沿9 煤带式输送机大巷36#钻场迎头，布置测线3 条（斜向上30°、顺层方向、斜向下30°方向），每条测线11 个物理点，通过移动发射接收线圈，形成3 条测的实测剖面（见图1）。

图1 超前探探测范围示意图

4.2 施工技术措施

矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m 的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数40 匝。供电电流档为50A，供电脉宽10ms，采样率16μS。每个测点采用30 次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

5 矿井瞬变电磁法勘探资料处理与解释

图2、图3、图4 分别为本次超前探测迎头斜向上30°、顺层、斜向下30°方向拟视电阻率等值线断面成果图。解释成果示意图中，蓝青色区域表示相对视电阻率低阻区域，黄色、橙色表示相对视电阻率高阻区域，其他颜色表示过渡区。

图2 迎头斜向上30 度方向扇形剖面图

图3 迎头顺层方向扇形剖面图

图4 迎头顺层方向扇形剖面图

5.1 斜向上30°方向

从图2 可看出，本次探测的迎头斜向上30°方向100m范围内以视电阻率ρτ≤40Ω·m 划定3 处视电阻率低阻异常区，编号分别为XSY-1、XSY-2、XSY-3。其中，XSY-1 异常区分布范围为左侧帮0～28°方向，20～100m 位置；XSY-2异常区分布范围为左侧帮44～63°方向，80～100m 位置；XSY-3 异常区分布范围为右侧帮39～48°方向，75～100m位置；3 处异常区均解释为煤层上覆顶板砂岩相对富含水区或裂隙发育区。

5.2 顺层方向

从图3 可看出，本次探测的迎头顺层方向100m 范围内以视电阻率ρτ≤45Ω·m 划定4 处视电阻率低阻异常区，编号分别为SY-1、SY-2、SY-3、SY-4。其中，SY-1 异常区分布范围为左侧帮0～15°方向，40～100m 位置；SY-2 异常区分布范围为左侧帮27～71°方向，30～40m 位置；SY-3异常区分布范围为右侧帮58～90°方向，30～40m 位置；SY-4 异常区分布范围为右侧帮84～90°方向，80～100m 位置；4处低阻异常区均解释为煤层上覆顶板砂岩相对富含水区或裂隙发育区。

5.3 斜向下30°方向

从图4 可看出，本次探测的迎头顺层方向100m 范围内以视电阻率ρτ≤35Ω·m 划定1 处视电阻率低阻异常区，编号为XXY-1，分布范围为左侧帮0～25°方向，20～100m 位置；解释为煤层下伏岩层相对含水区或裂隙发育区。

6 钻探验证与结论

①煤矿企业依据《煤矿防治水“三专两探一撤”规定》，执行“物探先行，钻探验证”程序，对物探结果进行了钻探验证。验证结果在瞬变电磁异常部位发现有漏水、冒水、滴水现象。与物探结果基本一致。煤矿企业在继续掘进前通过注浆的方式进行了露水治理，保障了安全掘进。②严格执行《煤矿防治水“三专两探一撤”规定》，按要求配备防治水专业技术人员、建立专门的探防水队伍、配齐专门的探放水设备，采用物探、钻探等方法进行探放水，且在重大险情时必须立即停产撤人是煤矿企业安全生产行之有效的措施。