瞬变电磁仪在煤矿巷道探测中的应用

李新云 李新宽 赵 华

1，河南省鹤壁市安全生产监察大队 458030

2，河南生鹤壁鹤安东头煤业有限公司 458020 3，河南省荥阳市徐庄煤矿 450100

瞬变电磁仪在煤矿巷道探测中的应用

李新云1李新宽2赵 华3

1，河南省鹤壁市安全生产监察大队 458030

2，河南生鹤壁鹤安东头煤业有限公司 458020 3，河南省荥阳市徐庄煤矿 450100

煤矿采用瞬变电磁仪对井下西翼回风巷进行探测，测量后，经数据处理和资料分析，结合地质资料和现场地质情况，对西翼回风巷掘进头超前探测成果进行了综合分析，并圈定了掘进头前方的富水异常区。在开采过程中，参照探测结果对圈定的富水异常区地段布置钻探工作，进行近距离的精确探测，以确保矿井安全生产。

瞬变电磁仪；巷道探测；煤矿井下

一、概况

由于本矿水文地质条件复杂，为确保矿井的安全生产，煤矿在巷道掘进过程中认真贯彻执行国家有关煤矿防治水方面的法律、法规、条例和规定等，坚持“有掘必探，先探后掘”的原则，先物探，再钻探，对探测资料分析后，再进行巷道的掘进。由于采用直流电法仪探测时，物探的成果精确度不高，可靠性低。为了提高探测精确度和可靠性，本矿首次采用瞬变电磁仪对井下掘进巷道进行探测。

二、地质构造

2.1 地层概况

本矿区属新近系和古近系全掩盖区。据钻孔及井巷工程揭露资料，地层由老至新为奥陶系中统马家沟组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组、三叠系下统刘家沟组及和尚沟组、新近系，其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主要含煤地层。

2.2 水文地质概况

（一）主要含水层

（1）二1煤层顶板裂隙含水层

指煤层之上60m范围内所含砂岩或断层角砾岩裂隙含水层，累计厚度介于5～60m，平均在30m左右，该含水层自二1煤层顶界面向上岩石破碎程度逐渐减弱，岩性致密，裂隙不发育，且部分被方解石脉所充填，仅在浅部风化带裂隙较为发育。该含水层为二1煤层顶板直接充水含水层。

（2）二1煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层

主要由太原组上段L7～L9灰岩组成，其中L7和L8灰岩较发育，层位较稳定，厚度为1～20m, 一般10m左右。该层为二1煤层底板直接充水含水层，矿井生产中在遇到底板断裂时，可使该层水导入矿坑，尤其是当其与下部奥灰水沟通时，水量一般较大，对开采二1煤层的影响较大，往往造成突水淹井事故，因此对矿井生产安全影响较大。

（3）一1煤层顶板灰岩岩溶裂隙含水层

为太原组下部灰岩段，主要由L1～L3灰岩和砂岩组成，砂岩与L1灰岩层位比较稳定，L3、L2灰岩在短距离内有突然尖灭或增厚现象。该段灰岩最大厚度27m，最小4.04m，一般为15～21m；砂岩最大厚度为16.87m，最小为0.00m, 平均厚12.09m。该含水层为一1煤层顶板直接充水含水层，与下部寒武～奥陶系灰岩岩溶裂隙水有明显联系。

（4）寒武～奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层

区域揭露该层厚度为130～237m，岩性主要为白云质灰岩、白云岩夹薄层或厚层石灰岩组成，局部夹中厚层铝土质泥岩，寒武～奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层水量充沛，水循环交替性好，水质优良，但其含、富水性极不均一。该含水层为一1煤层底板直接充水含水层，也是区内重要含水层。

（二）主要隔水层

（1）二叠系石盒子组碎屑岩段隔水层

该层段残留厚度一般大于300m，由泥岩、砂质泥岩、砂岩等碎屑岩组成，以泥岩、砂质泥岩为主，间夹数层中厚层状中粗粒砂岩含水层。该层段厚度大，在地表呈零星出露，地面坡度大，补给条件不佳，裂隙不发育，透水性差，能对上部新近系孔隙潜水含水层和下部二1煤层顶板砂岩承压含水层之间的水力联系，起到良好的阻隔作用。

（2）二1煤层底板碎屑岩段隔水层

系指二1煤层底界至L7灰岩顶界之间的薄层灰岩和砂泥质岩段，岩性以砂质泥岩、粉细粒砂岩为主。据统计，厚度介于5～40m，平均20m左右，厚度变化较大，层位不稳定。岩石裂隙不发育，透水性差，隔水性能良好，但因其厚度变化较大，使其在局部地段隔水作用相对减弱。

（3）太原组中段碎屑岩段隔水层

自L5灰岩顶上至L7灰岩底面间的碎屑岩段，由中细粒砂岩、砂质泥岩及泥岩组成。间夹薄层灰岩透镜体（L6灰岩）。该层段沉积厚度为11.30～36.85m，一般25m左右，该层段在地表呈零星出露，补给条件不佳，裂隙不发育，透水性差，具有良好的阻隔水作用，是太原组上、下段灰岩含水层之间的良好隔水层。

（4）本溪组泥岩铝土岩隔水层

主要由泥岩、铝土质泥岩、铝土岩（矿）组成，厚度3.3～31.0m，一般在10m左右。该层层位较稳定，力学强度弱～中等，岩性致密，裂隙不发育，透水性差，富水性弱，正常情况下是一1煤层底板的良好隔水层，对于阻隔下部寒武～奥陶系灰岩岩溶裂隙水充入一1煤矿坑起着重要的阻隔作用。但在其沉积薄弱地段或遭受构造破坏时和在高压地下水作用的条件下，则会弱化或失去隔水作用。

三、地球物理电性特征

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。受构造运动或地下水作用的影响，岩层破碎或裂隙越发育，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。

四、瞬变电磁仪探测工作原理及原始数据采集

瞬变电磁仪探测是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。

井下瞬变电磁勘探只能在巷道内进行，一般利用多匝小线圈采用剖面装置方式进行发射和接收。本次探测使用澳大利亚TERRA TEM瞬变电磁仪，发射线圈和接收线圈框重叠，两线圈轴线指向目标体（图4-1）。发射和接收线圈都为2m×2m的多匝线圈。

图4 -1 瞬变电磁法超前探测装置示意图

五、数据处理与资料解释分析

5.1 数据处理

探测方向平面示意图 5-1

瞬变电磁法观测到的资料是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行解释。处理步骤主要分为三步：

（1）滤波：在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波，消除噪声，对资料进行去伪存真；

（2）时深转换：瞬变电磁仪器在野外观测到的是二次场电位随时间的变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化，目前资料处理主要采用视纵向电导解释进行一维层状反演解释相结合进行；

（3）绘制等视电阻率电性断面图。

5.2 资料解释分析

本次对煤矿井下西翼回风巷进行了超前探测，掘进头除了正前方的探测，还进行了左偏30°、45°、60°，右偏30°、45°、60°的探测，及仰45°、俯45°的探测。

巷道超前探测每个探测方向用数字来表示： 10、15、20号表示正前偏左60°、正前偏左45°、正前偏左30°方向；25、30、35号表示正前方；40、45、50号分别表示正前偏右30°、正前偏右45°、正前偏右60°方向。（探测方向平面示意图 5-1）

煤矿井下西翼回风巷的探测资料及分析如图5-2,5-3,5-4。

以上三图分别为西翼回风巷探测仰45°、正前方向、俯45°方向电性断面图，横坐标上的数字表示探测的方向，纵坐标表示探测距离。

该巷道掘进头位置位于导线点W100前37m，探测正前方向与掘进方向一致。

掘进方向仰45°探测（图5-2）：该图显示，在45号方向，距离60～80m范围有一低阻异常区，异常区范围较小，相对异常差值不大，推断赋水性较弱。

正前方向探测（图5-3）：整体视电阻率值较高，电性结构较为稳定，未发现明显低阻异常。

掘进方向俯45°探测（图5-4）：整体视电阻率值较高，电性结构较为稳定，未发现明显低阻异常。

六、结论及建议

（一）结论

经资料处理后，结合地质资料和现场地质情况，对西翼回风巷超前探测成果进行了综合分析，并圈定了巷道掘进头前方的富水异常区。

图 6-1西翼回风巷物探成果图

西翼回风巷1#异常区范围小，相对异常差值不大，赋水性较弱，仅在仰45°断面图中反应明显，其他两断面图整体电性结构稳定，视电阻率阻值较高，对巷道掘进影响不大；2#异常区范围小，相对异常差值不大，仅仰45°方向反应（见图6-1），但距掘进方向距离较近，影响稍大，生产过程中注意水文观测。

（二） 建议

1）存在问题

富水区的划分和赋水强度的分级是相对的，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，井下全空间范围干扰因素众多，诸如工业用电、大型金属设备、巷道支护因素等，对探测结果产生一定影响。

2）建议

①建议在开采过程中，参照本次探测结果对圈定的富水异常区地段布置钻探工作，进行近距离的精确探测，以确保安全生产。在生产过程中及时将井下揭露地质水文情况和出水量等反馈给地测部门，以便进行数据定量修正，更好地为矿井安全生产服务。

②由于一1煤底板隔水层厚度变化较大，层位不稳定，对矿井防治水、安全生产影响较大。建议施工中加强对巷道底板管理，对巷道底板安全性、厚度及其下伏含水层的赋水性进行探测，为矿井防治水提供物探地质参考资料。

[1]储绍良 主编.矿井物探应用.煤炭工业出版社.1955

[2]霍金明，王玉海,等主编.瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用.西安工业大学出版社.1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.017

作者信息李新云,河南省荥阳市徐庄煤矿；出生年月：1964年7月；性别：男；籍贯：河南省滑

县；职称：工程师；学历：本科；毕业院

校：河南理工大学；专业：采矿工程；毕业时间：2009年1月。

李新宽,鹤壁市淇滨区九州路市政府第二综合楼一楼市安监局；出生年月：1973年6月；性别：男；籍贯：河南省滑县；职称：助理工程师；职务：鹤壁市安全生产监察大队副队长；学历：本科；毕业院校：河南理工大学；专业：电气自动化；毕业时间：2007年1月

赵华,鹤壁市鹤安东头煤业有限公司；出生年月：1968年5月；性别：男；籍贯：河南省南乐县；职称：助理工程师；职务：鹤壁市鹤安东头煤业有限公司副矿长；学历：大专；毕业院校：河南理工大学；专业：机电工程；毕业时间：1999年7月