千米深井全方位瞬变电磁物探技术的应用与研究

王丛山 张 旭

（1.山东省天安矿业集团有限公司星村煤矿，山东 曲阜 273100；2.新疆华安矿业股份有限公司，新疆 巴州 841000）

1 矿井概况

星村煤矿于2006 年建成投产，2020 年核定生产能力为90 万t/a。星村煤矿勘探前期通过开展地面三维物探，基本摸清了矿区范围地质构造情况，后期开展瞬变电磁物探，通过采取巷道迎头超前探测及工作面全方位探测相结合的方式，将井下水文特征逐步排查清楚。

2 瞬变电磁物探原理及施工布置

2.1 瞬变电磁物探原理简介

矿井瞬变电磁物探所采用原理与地面物探基本一致，但是基于井下巷道相对密闭，围岩存在特殊的空间及位置关系，物探施工环境及操作过程对物探数据的准确度有较大影响。

瞬 变 电 磁 法(Timedomain Electromagnetic Methods)，简称TEM，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法[1]。TEM 基本工作方法是：于地面或井下设置以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场[2]，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；晚期成分相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[3]。

在煤矿巷道探测中，由于巷道是较密闭、狭小空间，其接收到二次场是巷道周围有效探测范围内所有岩层导电性的综合响应。

2.2 设备仪器

该次瞬变电磁探测任务采用YCS512 矿用本安型瞬变电磁探水仪（接收、发射一体机），本机型是新一代探测煤矿水害物探装备，机型具有便携、智能的特性，数据精度更高。主要性能参数见表1。

表1 YCS512 矿用本安型探水仪系统参数表

2.3 施工布置

该次瞬变电磁探测工作区域为7302 工作面，采用工作面全方位探测，即探测点围绕工作面布置在轨道顺槽、运输顺槽，测点间隔为10 m。工作面测点布置情况如图1，每个测点探测布设6 个方向，分别为垂直工作面底板（-90°）、工作面顶板斜下方（-60°、-30°）、顺煤层方向（即水平方向0°）、工作面斜上方（+30°、+60°），全方位探测工作面底板、顺层及顶板富水情况，总计施工164 个点，总数据量984 个，总体数据情况良好。

图1 工作面测点布置平面图

3 工作面探测现场情况

该次瞬变电磁探测干扰主要有顶板及两帮的锚网、锚索、锚杆，在解译时需进行系统矫正。此次现场条件对物探数据存在一定的干扰，但采集信号质量相对稳定，未出现废点。

4 数据处理与解译

通过YCS512 瞬变电磁探水仪配套解译软件处理井下采集的7302工作面数据，主要包括以下步骤：

1）数据的梳理及概略性分析。

2）根据探测方位、角度进行测线编辑并重新分组。

3）根据施工参数设定X、Y、Z 坐标并修正法向方位角、法向倾角。

4）进行数据干扰矫正，三维反演生成工程测线立体图[4]（图2）。

图2 YCS512 探水仪三维反演工程测线空间示意图

5）按照物探设计进行层深切片（图3），按物探设计，以工作面所在层位为水平0 m，分别向顶板及底板做平行于工作面的层深切片，切片间隔20 m，切片深度自上而下依次为：80 m、60 m、40 m、20 m、0 m、-20 m、-40 m、-60 m、-80 m，分别导入surfer 生成与坐标相对应的视电阻率等值线图，并对照色标库进行上色。

图3 YCS512 探水仪三维联合反演层深切片图

5 解译结果及结论

经处理，共获得9 幅解译图（图4）。解译图中水平轴表示工作面的长度，纵轴表示工作面的宽度，色标轴数字越小、颜色越深，代表阻值越低。

图4 7302 工作面瞬变电磁物探层深切片解译图

横向上看，靠近切眼处（水平轴0 点）阻值较高，靠近运顺联络巷处（水平轴800 点）阻值较低。纵向上看，离工作面（水平0 层）越远，即越向上、向下，视电阻率数值略微偏大，这是由于瞬变电磁仪器发射的信号具有衰减性，距离越远，接收到的电磁强度越小，反射回来的信号也越弱，会导致不同深度的切片解译图出现差别。

纵观9 幅图，仅有一处轻微的视电阻值异常区，异常区大致位置如下：从平面上看在距离切眼640～680 m 范围，距离运顺一侧20～70 m 范围。此处异常在工作面向上0 m、20 m、40 m 切片较明显，其他层深切片也有轻微显示。解译图中其他位置未显示有低阻异常。

6 成果分析验证

为确保工作面回采的安全性，结合“三专两探”要求，技术人员对异常区展开深入分析，包括其地层层位特性、地质构造特点、现场施工环境等，并在异常区范围设计探放水钻孔[5]，探查前方地质体富水特性。

6.1 异常区地层层位特性

物探施工位置为7302 工作面，该工作面煤层属于山西组3 煤层，以过渡相沉积为主，沉积分异明显，由砂岩、粉砂岩、粉细砂岩互层、黏土岩、煤层组成。工作面内煤层走向N17°W，倾向S73°W，倾角3°～13°，平均6°。异常区位于工作面上方10～40 m 区域，在工作面的平面位置如图5 所示，该处地层岩性为深灰-灰白色粉砂-中细砂岩，分选性中等，硅质胶结。推断该层位含水性较差，异常区受地层特性影响较小。

图5 异常区位置及探放水钻孔布置示意图

6.2 异常区地质构造特点

结合采掘工程平面图及以往三维物探成果，该工作面总体构造形态为背斜构造，局部发育宽缓波状褶曲，区地质构造情况属于良好。工作面附近断层落差均小于4.0 m，且仅有两条断层在工作面内有较短延伸。SF56 断层（落差40 m）位于工作面东北方向，但距离工作面80 m，对工作面导水性较弱，且无陷落柱等构造，判断此异常区受地质构造影响较小。

6.3 异常区施工现场环境

根据实际施工现场，此异常区处于岩巷段，锚杆锚网支护细密，在异常区附近有钢梁架棚和集中存放的变压器开关箱体，此类均是易导电物体，对电阻率干扰较大，易形成低阻异常区。

6.4 异常区钻探验证结果

根据异常区在工作面的位置，在运输顺槽一侧设计了3 个探放水钻孔，具体位置如图5 所示，探放水钻孔具体参数如表2。钻探结果：3 个探放水钻孔基本无水。

表2 探放水钻孔设计参数及出水量

综上，经过对异常区地层特性、地质构造情况及现场施工环境分析，初步判定该异常区为巷道施工环境所造成。经钻探验证，4 个探放水钻孔基本无水，所以综合判定此处异常是由于巷道特殊环境所造成，非断层富水异常区。

7 结语

1）该次井下施工过程中，做好技术保障措施。严格按照操作步骤、确定的施工参数进行施工，测线如有畸变时必须复测，保证观测精度符合规定。在实际探测时尽量避开大型孤立金属机电设备，物探施工区域排干积水，同时做好记录，以便在资料解释时尽量消除影响。

2）该次瞬变电磁物探解译摒弃通常采用的二维平面解译法，采用更高精度的三维立体解译方式，将立体解译图采取切片的方式更直观地呈现出来，清晰明确、简单易懂。