矿井瞬变电磁法在峰峰某矿超前探测的实践分析

关民全

(中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北邯郸 056004)

0 引言

我国是世界上第一产煤大国，也是世界上煤矿水害最为严重的国家。老空水、顶板水、底板水、离层水等各种水害是制约煤炭工业发展的突出问题之一。峰峰矿区地质构造复杂，水文地质条件也极为复杂，是全国典型的大水矿区，具备如下特点：水害类型齐全；煤层埋藏深、煤层底板承受水压高；煤系薄层灰岩含水层富水性强，水力关系复杂；下组煤距奥灰强含水层间距小；矿井涌水量大；水害造成的经济损失巨大等[1-3]。因此峰峰矿区的防治水工作非常具有特色：防治难度大、技术复杂。由于峰峰矿区地面物探受地表地质条件、探测深度、地层倾角、多地层物理特性、近地面干扰等多因素影响，探测精度较低，因此，将地面物探移到井下，在近距离、近目标、单一层位中探测，可以提高物探资料解释的精度和可靠性[4]。目前用于井下探测的众多地球物理勘探方法中，矿井瞬变电磁法对于煤层富含水情况探测效果比较明显，具有方向性强、勘探深度大、体积效应小、抗干扰能力强、分辨率高、可以多方向探测、施工效率高等优点[5-6]，已成为峰峰矿区井下预测水害隐患的重要技术手段。

1 矿井瞬变电磁的特点

由于井下特殊的空间限制，矿井瞬变电磁法有以下特点：①探测是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布如图1所示；②受巷道施工空间所限，只能采用边长小于3m的多匝小线框，一般探测深度在120m以内；③采用小线框，点距较密，体积效应降低，横向分辨率提高；④距离异常体更近，异常体感应信号强，探测信号信噪比高，方向性强；⑤可以探测多个方向，如顶板、底板、侧帮、迎头前方；⑥在井下会受到多种金属物的干扰。

矿井瞬变电磁法经常使用的工作装置形式主要有重叠回线和中心回线两种。重叠回线装置对地质异常响应强、施工方便，但线圈中存在较强的互感，一次场影响严重；中心回线装置收发线圈互感影响小，降低了一次场影响，但二次场信号相对较弱，对地质导体识别不如重叠回线。

井下巷道内施工采用多匝数小回线测量装置，线框贴近巷道迎头煤岩层(图1)，装置参数主要有回线边长大小、回线匝数、叠加次数等。一般在正式工作前可通过试验加以确定。原则上根据施工区段的客观情况，以能够充分发挥仪器性能，有效的完成探测地质任务为佳。

图1 矿井瞬变电磁法工作方式示意Figure 1 Schematic diagram of mine transient electromagnetic method operation mode

2 应用实例

2.1 峰峰某矿2704工作面概况

峰峰某矿井下工作面开采2号煤层，煤层走向NW20°，倾向NE，平均倾角12°，煤层厚度平均2.8m，煤层较稳定。煤层直接顶为中粒砂岩，厚度为11.22m，有时成互层，含云母片，裂隙中有方解石及硫化亚铁；伪顶为炭质泥岩，厚度为0.29m，黑色，泥质胶结，含植物化石及少量炭质，易风化；直接底为砂质页岩，厚度为2.97m，黑灰色，含大量的植物根系化石，微带节理；老底为中粒砂岩，厚度为16.9m，灰白色，矿物为石英、长石，略带黑色矿物，带小裂隙及方解石脉。

2号煤层下距奥灰120m左右，工作面底板标高-420m，奥灰水位标高为+120m，属于带压开采，最大水头压力达到4～5MPa，掘进前方一旦存在导水构造连通奥灰水，直接揭露后果不堪设想，因此为了保证工作面巷道的安全掘进，矿方采用了瞬变电磁跟踪性超前探测，提前探明前方隐伏导水通道，以制定出切合实际的防治水措施，来保证采掘安全[7]。

2.2 探测方法

(1)仪器及工作参数

使用仪器为YCS40(A)型矿用瞬变电磁仪及配套设备。采用重叠回线装置，发射线框和接收线框使用多匝1.5m×1.5m矩形回线，发射线框为9匝，接收线框为18匝，发射电压7.0v，发射频率8.3Hz，拟制系数3，测道数40，叠加次数为64等进行井下数据采集。

(2)工作布置

由于工作面主采煤层均为带压开采，主要面临的水患为底板奥陶系灰岩水，探测的重点为迎头前方是否存在构造连通奥灰水。在井下巷道迎头实地观察后，结合探测目的任务，选择了更适于全面探测迎头前方情况的横向扇形观测系统[8](图2)，共布置10个测点，其中每个扇形观测点在垂直方向上都观测了6个方向，包括迎头顺层、斜上45°、斜下30°、斜下45°、斜下60°、底板探测，探测方向(图3)。在此基础上根据现场金属设施情况及探测的目的，在迎头正前方增加了一个纵向扇形观测(图4)，增加对底板的重点探测，且在最终的成果解释中，将两种观测系统所探测的成果进行综合分析，相互验证，提高物探资料解释的准确度。

2.3 探测成果与验证情况

现将具有代表性的迎头探测成果进行分析。

图2 扇形观测系统示意Figure 2 Schematic diagram of fan shaped observation system

图3 探测方向示意Figure 3 Schematic diagram of detective directions

图4 纵向扇形观测示意(探测底板)Figure 4 Schematic diagram of lengthwise fan shaped observation

图5 迎头前方横向扇形视电阻率剖面Figure 5 Head-on front transverse fan shaped apparentresistivity section

图6 迎头前方纵向扇形视电阻率剖面Figure 6 Head-on front lengthwise fan shaped apparentresistivity section

图7 工作面排水巷迎头探测点三维示意Figure 7 3D schematic diagram of working face drainage drifthead-on detection points

1)对某工作面运料道迎头前方富水情况进行了探测。探测迎头前方斜上45°、顺层、斜下30°、45°、60°的横向扇形视电阻率剖面图(图5)中，未发现明显低阻异常体存在，但在迎头正前方左右两边视电阻率值变化较大，形成明显界限，因此分析认为该迎头前方30～80m地段整体富水性较差，但在迎头正前方左右两边有岩性变化，可能存在小断层；探测迎头前方纵向扇形视电阻率剖面图(图6)中，也未发现明显低阻异常体存在。将两种观测系统所探测的结果进行综合分析，认为该迎头前方整体富水性较差，但迎头正前方可能存在小构造。通过验证，探测迎头前方存在一小断层，但富水性较差，实际揭露情况与瞬变电磁探测结果相符。在井下运用瞬变电磁法探测受井下金属设施干扰较多，根据实际情况尽可能避开干扰，可以选择不同的观测系统进行探测，将多种观测系统所探测的成果进行综合分析，相互验证，提高物探资料解释的准确度。

2)通过对某工作面排水巷迎头前方富水情况进行探测，综合分析顺层、斜下30°、45°、60°的扇形视电阻率剖面图，得出探测区域内存在两处低阻异常区，且这两处低阻异常在各层位上延续性较好，存在导通的可能，需要矿方打孔验证(图7)。低阻异常1：由迎头正前方左侧顺层75m处、斜下30°方向70m处及斜下45°方向65m处三个层位的低阻异常构成，极有可能存在导通关系，根据矿方提供的资料，这些低阻异常区在F1断层附近，分析可能是断层破碎含水的反映。低阻异常2：在迎头偏左30°方向，顺层、斜下30°和斜下45°三个层位，距迎头垂直投影距离约65m位置有一明显的低阻异常，且三个层位低阻异常在垂直方向上的位置基本一致，极有可能存在导通关系，根据矿方提供资料，发现异常的位置正好为608钻孔，分析可能是由于钻孔封孔不良或钻孔中的套管导致的局部低阻异常。通过验证，异常区1确为F1断层破碎含水，异常区2为608钻孔中所下套管影响所致。

3)通过对某工作面溜子道迎头前方富水情况进行探测，综合分析斜上30°、顺层、斜下30°的扇形视电阻率剖面图，得出探测区域内存在1处低阻异常区，且这1处低阻异常在各层位上延续性较好，存在导通的可能，分析该异常区为断层破碎，裂隙发育局部富水，需要矿方钻探验证(图8)。根据矿方揭露情况，巷道掘进到物探异常区出现突水现象造成煤层流失，单位涌水量到达60m3/h。

图8 迎头前方横向扇形视电阻率剖面Figure 8 Head-on front transverse fan shaped apparent resistivity section

3 煤矿井下对瞬变电磁探测的干扰因素分析

3.1 干扰瞬变电磁探测的因素

井下瞬变电磁探测中，探测点附近常见的金属设施有锚杆、锚网、锚索、锚网带支护、工字钢、铁轨、前探梁、液压柱、镏子、掘煤机等[9]，井下实际探测结果表明这些金属设施会产生一定的瞬变电磁响应，是矿井瞬变电磁的主要干扰因素[10]。

3.2 干扰因素分析

1)对某迎头前方富水情况进行了两次探测对比。第一次探测巷道现场情况为：顶板及左右帮有锚网、锚索、锚网带支护，迎头前方均匀有三个液压柱。将探测数据经过处理、解释，所得扇形视电阻率剖面图(图9)中，第一次探测迎头正前方30～80m地段都出现明显低阻异常，结合地质资料分析认为探测结果受迎头正前方液压柱影响所致。第二次巷道现场去掉了迎头前方液压柱，在顶板及左右帮锚网、锚索、锚网带支护存在且底板距离迎头2m处有溜子，重新进行了数据采集、处理、解释，从所得扇形视电阻率剖面图(图10)中得出第二次探测迎头前方20～100m范围内含水性差，未发现明显低阻异常。通过验证，第二次探测结果准确。由此可见顶板及左右帮锚网、锚索、锚网带支护对瞬变电磁探测干扰相对较小，可以忽略不计[11]，探测线框避开底板溜子2m以外距离可以消除干扰，迎头前方探测时，液压柱在线框中部会对数据造成很强的干扰[12]。

图9 迎头前方有液压柱的视电阻率剖面Figure 9 Head-on front with hydraulic supports apparentresistivity section

图10 迎头前方无液压柱的视电阻率剖面Figure 10 Head-on front without hydraulic support apparentresistivity section

2)对某迎头前方富水情况进行探测对比。第一次巷道现场情况：顶板及左右帮有锚网、锚索、锚网带支护，探测线框正下有钢轨。将探测数据经过处理、解释，所得扇形视电阻率剖面图(图11)中，第一次探测迎头前方30m以外地段都出现明显低阻异常[13]，且受低阻干扰影响，探测深度明显变浅，结合地质资料分析认为探测结果受底板钢轨影响所致。第二次重新进行探测，去除探测地点附近钢轨，将探测数据经过处理、解释，所得扇形视电阻率剖面图(图12)中，发现迎头前方80～100m范围内有低阻异常区，分析是框外存在的一个液压支柱影响所致，认为该迎头前方整体富水性较差，最终探测结果与验证情况相符。可见探测线框正下有钢轨、溜子等体积较大金属器材，对数据采集影响较大[14-15]，通过多次探测发现如果避开钢轨、溜子大于2m水平距离，将会避开干扰。由于掘进巷道宽度有限，迎头前方的液压柱虽然在探测线框边框外，离边框距离较近，因此对数据造成一定干扰。

图11 探测底板铺设钢轨的视电阻率剖面Figure 11 Floor steel rail detection apparent resistivity section

图12 探测底板附近无钢轨的视电阻率剖面Figure 12 Floor nearby without steel rail apparentresistivity section

图13 综掘机离探测地点5m视电阻率剖面Figure 13 Fully mechanical shearer apart from detection point 5m apparent resistivity section

3)对某溜子道迎头前方富水情况进行探测。当日巷道现场情况：顶板及左右帮有锚网、锚索、锚网带支护，迎头有综掘机，探测时综掘机配合工作退后至距迎头约5m，将探测数据经过处理、解释，所得扇形视电阻率剖面图(图13)中，迎头前方整体富水性较差，最终探测结果与验证情况相符。可见在矿井瞬变电磁探测中，探测线框避开综掘机这种大的金属设备5m以外距离，采集的数据受干扰相对较小。

4)对某胶带巷迎头前方富水情况进行探测。当日巷道现场情况：顶板及左右帮有锚网、锚索、锚杆、锚网带支护、前探梁，探测时线框上部边界与顶板前探梁接触，将探测数据经过处理、解释，所得扇形视电阻率剖面图(图14)中，迎头前方整体富水性较差，最终探测结果与验证情况相符。可见前探梁这种相对体积较小的金属对瞬变电磁探测干扰相对较小。

图14 线框在前探梁下视电阻率剖面Figure 14 Loop under forward canopy apparent resistivity section

4 结语

通过矿井瞬变电磁法对峰峰某矿多个工作面运料道、溜子道、切眼等巷道迎头前方富水性的跟踪性超前探测效果分析认为：①瞬变电磁法应用于井下，对煤矿的防治水工作起到一定指导作用；②根据井下巷道内现场环境，瞬变电磁法可以采取不同的观测系统尽可能避免金属设施干扰，也可以将多种观测系统所探测的成果进行综合分析，相互验证，提高物探资料解释的准确度；③通过瞬变电磁法在多个煤矿巷道迎头跟踪性超前探测效果分析认为，探测地点的掘煤机、液压柱、底板上连续的钢轨、 溜子等体积较大的金属良导体对瞬变电磁探测干扰严重，应尽量撤离或采取相应的措施避开，结合实例得出探测地点的掘煤机应撤离探测地点5～10m。由于掘进巷道宽度有限，探测时， 线框很难避开迎头前方的液压柱，因此建议撤离；底板上的钢轨、溜子等，探测时应该离开探测线框2～5m。而锚杆、锚网、锚索、锚网带支护、工字钢等体积较小的金属物对瞬变电磁探测的干扰较小，可以在实际应用中忽略不计。