瞬变电磁超前探查水体技术分析与应用

彭虎

（山煤国际能源集团股份有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

水害是煤矿常见的灾害之一，对矿井安全生产和矿工生命安全产生了极大的威胁，为了查清楚矿井采掘区域的富水异常区，为矿井安全生产提供依据，常用的方法主要为物探法、钻探法以及常规的地质分析法，其中钻探法存在“一孔之见”的显著缺点，而传统的地质分析法又无法准确的给出采掘区域的富水情况结论，因此物探探测方法非常重要，然而井下的采掘空间有限，受采掘空间的影响部分物探手段的应用效果不是特别理想。本文分析了瞬变电磁的技术原理和探测条件，并且在东古城煤业21301 工作面回风顺槽进行了实地验证，表明其探测结果较为可靠，为矿井防治水工作提供了重要基础。

1 概 况

东古城煤业21301 工作面位于二采区南部，主采煤层为9 号、10+11 号煤层，工作面东部为原河底山采空区，南部为该矿矿界，西部为实体煤，北部为实体煤，对应的地表范围内为丘陵林地，标高为+1 036—+1 324 m，区内无建筑物。21301 工作面可采走向长度为1 930 m，倾斜长度为132 m，计划采用综合机械化采煤工艺，自然垮落法管理顶板，根据地面勘探钻孔与井下揭露的地质资料，21301 工作面范围内主采煤层稳定，煤层总体走向为北东，倾向为西北，倾角3°～13°，平均8°，工作面煤层底板标高为+916—+968 m，煤层厚度为6.5～7.4 m，平均为6.94 m，其间含3 层夹矸，夹矸总厚度为1 m，纯煤层厚度平均为5.94 m，种类为烟煤中的肥煤，煤化程度较高，属于中等挥发分中的强粘结性煤，煤层硬度f=2～2.5，煤层顶底板岩层情况如图1 所示。

图1 21301 工作面煤层顶底板岩层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam roof and floor strata in No.21301 Face

21301 工作面回风顺槽掘进至通尺326 m 处时出现了顶板淋水，且随着掘进逐渐变大，严重威胁煤矿生产安全，因此决定对21301 工作面前方含水区域进行探查。

2 瞬变电磁超前探测

2.1 瞬变电磁超前探查技术原理

煤系地层主要由沉积岩组成，不同的岩石由于矿物成分、结构、构造等方面存在差异，因而往往具有不同的电阻率，当电磁场穿过岩层时，通常会表现出不同的反应，为采用电磁方法识别不同的岩性，探查施工方向上的含水体和导水构造提供了一种可能的思路。瞬变电磁法是一种通过采用人工激发的瞬时电磁场，让电磁场穿过施工方向上岩石和构造等地质体，通过接收前方岩体反射回的电磁波信号，利用电磁波信号的变化来检测地下含水和导水地质构造和地质体的一种方法。

探测过程中，探测设备发射电流会在回线周围的大地和空间中形成一个稳定的磁场，如图2所示。

图2 矩形框磁力线Fig.2 Rectangular frame magnetic field line

然后将电流突然断开，该电流产生的磁场也立即消失，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失，如图3 所示。

图3 穿过Tx 中心的横断面内电流密度等值线图Fig.3 The contour map of the current density in the cross section passing through the Tx center

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，而瞬变电磁场衰减速率与介质的电性有关，视电阻率值较高区域引起的瞬变电磁场较弱且衰减较快，而视电阻率值较低区域引起的瞬变电磁场较强且衰减较慢，所以通过观测瞬变电磁场的大小和衰减特性，就可以了解地下介质的电阻率分布情况，进而判断地层的岩性、赋水性和构造等特征。

2.2 施工设计

东古城煤业21301 工作面回风顺槽掘进至通尺326 m 处时出现了顶板淋水，随着巷道向前继续掘进，顶板锚索钻孔中出现了较大的涌水（图4），不仅增加了掘进头的涌水量，恶化了作业环境，甚至有可能造成灾变，直接威胁回风顺槽和胶带顺槽的安全掘进和21301 工作面的安全开采，因此需要对21301 工作面前方含水区域进行探查，为精准疏放提供依据。

图4 煤层顶板锚索钻孔涌水Fig.4 Coal seam roof water inflow of anchor cable drilling hole

为了查清21301 工作面回风顺槽前方顶板含水体的大小，根据21301 工作面回风顺槽预掘进区域的地质和水文地质等条件，决定采用瞬变电磁法进行勘探，计划采用安徽惠州地质安全研究院的YCS360A 矿用本安型瞬变电磁仪（图5）进行施工。

图5 21301 工作面回风顺槽超前探测使用的瞬变电磁仪Fig.5 The transient electromagnetic instrument used in the advanced detection of return air roadway in No.21301 Face

（1）采用多匝重叠回线装置，发射线框和接收线框均为1.8 m×1.8 m 矩形回线，发射频率拟为8.3 Hz。

（2）在掘进头处朝目标区域分别实施横向切片和纵向切片的扫描探测，如图6 所示。横向扫描时，沿巷道掘进方向以礃子面左轴为0°方向，顺时针在30°～150°的扇形范围内、按15°间隔，探测9 个方向（控制巷道外围50～103.92 m）；纵向扫描时，沿巷道掘进方向以垂直巷道底板向下为0°方向，从下往上在0°～180°的扇形范围、按15°间隔，探测13 个方向（控制煤层顶板以上83.61～116.2 m，控制煤层底板以下83.61～117.4 m）。

图6 瞬变电磁探测方向示意Fig.6 Transient electromagnetic detection direction

2.3 物探技术要求

（1）工作量要求。21301 工作面回风顺槽掘进头超前探测时，横向探测9 个方向，倾角为15°，纵向探测13 个方向，共计完成22 个方向探测。

（2）质量要求。质量要求按国家、行业的有关标准和规范执行。

2.4 物探施工注意事项

（1）人员配备。井下瞬变电磁勘探时，由2名以上人员参与施工，其中至少1 名防治水技术人员，负责协调井下物探现场施工过程中遇到的各种问题。

（2）施工环境要求。施工范围附近，距离掘进头探测点20 m 内巷道不得有大面积积水，且不得存放掘进机、铁轨、皮带架、锚网、锚杆等大块金属体；矿车需移出施工巷道，尽可能保持巷道空净；铁管尽可能贴巷底放置、减少金属干扰，保障物探效果。物探数据采集时，施工区域附近必须停工，严禁出现拉车等其它活动，保障物探施工人员安全；巷道内动力电缆、大型机电设备必须停电，防止对物探仪器造成损坏和干扰。

3 探测结果分析

东古城煤业21301 工作面回风顺槽通尺326 m迎头瞬变电磁超前探测结果如图7 和图8 所示。

图7 横向（倾角为15°）探测结果Fig.7 Lateral(dip angle 15°)detection results

图8 纵向探测结果Fig.8 Longitudinal detection results

从图中可以看出，21301 工作面回风顺槽前方顶板120 m 范围内存在倾向向上的富水异常区，而不是水平方向的异常区，异常区倾斜方向上延伸的倾角大致为45°，推测其为前方存在小断层构造引起的岩层破碎而造成的富水异常区，异常区范围有限。

后在21301 工作面回风顺槽通尺326 m 迎头实施钻探验证，发现了小断层，断层走向与巷道近乎于垂直，断层倾角为46°，落差为0.8 m。经过钻孔疏放，断层破碎带的水得到了有效疏放，单孔涌水量从最初的18.6 m3/h 最终降低为0.1 m3/h，保证了21301 工作面回风顺槽安全通过了该小断层，表明了瞬变电磁探测结果的准确性。

4 结语

井下巷道的掘进头应用瞬变电磁进行超前探测具有占用施工时间短、施工过程简单、探测深度大、受空间影响较小等显著优点。通过在东古城煤业21301 工作面回风顺槽通尺326 m 的掘进头实施超前探测，发现了前方120 m 范围内存在一个倾斜向上的小范围的沿倾斜方向大致呈45°延伸的低阻异常区，结合顶板锚杆钻孔出水情况，进行钻探验证，判定其为断层造成的破碎带。后经过钻孔疏放，单孔涌水量从最初的18.6 m3/h 最终降低为了0.1 m3/h，21301 工作面回风顺槽安全通过了该小断层，表明了瞬变电磁探测结果科学有效，为保证煤矿安全生产奠定了基础。