瞬变电磁法在煤矿富水性超前探测中的应用

贺润山

（太原市国土资源局万柏林分局，山西 太原 030024）

·技术经验·

瞬变电磁法在煤矿富水性超前探测中的应用

贺润山

（太原市国土资源局万柏林分局，山西 太原 030024）

根据煤矿防治水规定，利用近期兴起的瞬变电磁法对煤矿掘进工作面的富水性进行超前探测，对发现的异常进行预测预报。作为一种新的物探方法，由于其简便、快速的优点，在生产中得到了广泛应用。本文介绍了瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用，并对探测效果进行验证，以期对发现的问题进行一些有益的探讨。

煤矿富水性；超前探测；瞬变电磁法；预测预报

1 井下超前探测的原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V（t），就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在。

从岩性物性差异的角度来看，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率减小，因此，岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值；相反，则表现高电阻率值。

探测迎头前方受断层、陷落柱、溶洞等影响，可能存在导水裂隙或含水构造，在地球物理上表现电性差异，因此，采用瞬变电磁法可以探测迎头前方电性分布情况，判断前方赋水性，为巷道安全掘进提供更多水文地质信息。良导体瞬变电磁感应原理图见图1。

图1 良导体瞬变电磁感应原理图

2 矿井及测区概况

该矿位于山西盂县县城以东。本次探测位置为15207回风顺槽工作面，北为15209工作面，西部为孙家庄保安线，东为南运输、回风大巷，南为15205综采工作面。地面位置西部位于孙家庄保安线，北部为山坡梯田地带，南部为15205综采工作面与常家沟保安线，东部为采空区。地面无建筑物、小井及其它。地面标高940，覆盖层厚度140～180 m。煤层顶板为石灰岩，底板为砂质泥岩。

井田位于沁水煤田东北部边缘、沁水块坳盂县坳缘翘起带。区域构造以东西向褶皱带派生有北东向和近东西向断裂为基本特征。陷落柱不发育。

井田总体构造形态为一轴向近东西向的褶皱，岩层走向北东，倾向北西和南东，倾角一般为5°～15°。井田内共发育4条正断层，落差均为5～30 m，倾角65°～70°，断层走向近东西向。

矿井充水因素主要有大气降水、地表水、含水层水和采空区积水，所以，矿井在开采过程中要加强雨季防治水管理，并高度重视老窑采空区积水的探放水工作，确保矿井安全生产。现对其充水条件描述如下：

大气降水：本区以大气降水为井下开采涌水的主要补给来源，流量动态变化与大气降水关系特别密切。大气降水经第四松散层、二叠系砂岩、石炭系石灰岩溶裂隙下渗补给，因此，降水量大小对矿井充水有很大影响。

地表水体：秀水河由西向东经过本井田，该河床的孔隙水会沿地层露头风化带的孔隙、裂隙补给地下进入矿井，是矿井充水因素之一。

顶板和井筒渗水：由于煤层上覆含水层富水性不强，补给条件也不好，主要为井筒渗水、顶板渗水和采空区渗水，据该矿开采15＃煤层情况，15＃煤层矿井正常涌水量为600 m3／d，最大涌水量为700 m3／d。

据生产矿井充水情况与矿区水文地质条件来看，本区煤层充水通道主要为煤层顶板以上岩石的裂隙、岩溶、开采后形成的导水裂隙带及井筒。本井田15＃煤层水文地质条件为中等。

3 现场数据采集

本次矿井瞬变电磁物探工作使用的仪器为中煤科工集团重庆煤科院公司生产的YCS40（A）矿用瞬变电磁仪。这套矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工快捷、效率高，既可以用于煤矿掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。

该瞬变电磁仪系统可以通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而加深勘探深度；通过多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术的应用，提高信噪比，从而应用于工作复杂、噪声干扰大的煤矿井下水害超前预报，有效勘探深度能达到25～120 m。

本次探测位置位于15207回风顺槽967＃导线点前36 m。巷道采用锚杆、网、钢带、锚索联合支护，矩形断面。探测工作受到迎头位置积水的严重干扰，施工过程中受到工字钢支护和单体液压支柱的干扰，探测深度降低，采样质量较差，探测结果可信度降低。

本次矿井瞬变电磁法勘探采用重叠回线装置，利用多匝1．5 m×1．5 m矩形回线，发射线框10匝，接收线框24匝。叠加次数：64次，时间采用标准时间序列。关断时间为250。

该次探测测点布置于工作面迎头，发射、接收线框沿顶板、顺层、底板方向呈扇面布置。采用重叠回线装置，发射线框采用多匝1．5m×1．5 m矩形回线。探测分顶板、顺层和底板3个方向扫描，顶板方向主要控制巷道顶板方向的含水构造，顺层方向主要控制巷道前方向及两帮的含水构造。底板方向主要控制巷道底板方向的含水构造。顶板、水平、底板方向扫描左右各50°范围，每10°1个测点，共11个测点，3条测线共计33个测点。探测布置示意图见图2。

图2 探测示意图

4 数据处理与分析

瞬变电磁数据处理，利用相关计算公式计算视电阻率、视深度等一些基本参数，根据资料的实际情况应进行滤波、一维反演处理，直至获得合适的解释数据。

本次资料解释将坚持：现场水文地质分析与物探资料解释相结合，进行定性解释，采用综合处理与解译技术，减少多解性，提高解释可靠性。

根据矿井瞬变电磁场扩散特征，及TEM视电阻率拟断面图，综合地质和水文地质资料，分析判别沿三个方向探测电性变化情况，工作面顶板、顺层、底板方向超前探测视电阻率等值线图见图3～5。

图3 工作面顶板方向超前探测视电阻率等值线示意图

图4 工作面顺层方向超前探测视电阻率等值线示意图

图5 工作面底板方向超前探测视电阻率等值线示意图

图3～5中坐标（0，0）点的位置均为目前掘进工作面的空间位置，为了直观表现探测剖面的视电阻率分布规律，对斜向上及斜向下的圆锥形探测曲面作平面处理。在每幅图中，由A正常区、B过渡区、C异常区组成，表示岩层由高阻变化为低阻的趋势，在一般情况下，岩层含水性越强，其电阻值越低。

由图3可知，顶板方向探测剖面内的视电阻率变化较大，在掘进面的左前方、右前方50 m距离以外均存在一定范围的低阻区域。

由图4可知，水平探测剖面内在左帮、右帮距掘进工作面40 m距离之外的范围存在较大范围的低阻区域。

由图5可知，底板方向探测剖面内50 m距离之外的范围存在明显的低阻异常区。异常区可能相对富水。

5 结论及探讨

由于物探资料存在多解性，且影响视电阻率大小的因素较多。因此，异常区的富水性仅是一种相对定性评价，根据各测线的空间关系，对比分析各个探测剖面所示视电阻率分布，可以得到以下主要结论：

目前，掘进层位的顶、底板之间的阻值变化不大，均显示50 m范围后为低阻异常区域；距离工作面迎头40 m以内范围相对富水性不强；工作面顶板、底板50 m范围后显示为低阻异常，相对富水性较强；从图4可以看出，掘进工作面正前方没有明显的低阻异常区域。工作面迎头顺层方向相对富水性较弱；受工作面顶板淋头水及单点支柱低阻干扰影响，探测异常范围可能与实际存在一定误差，要求矿方依照井下实际揭露情况为准。

物探作为地测防治水的一种手段，其成果不能作为巷道掘进工作的最终指导结论，还需与其他手段相结合才能获得更准确的结论。

经对该异常进行钻探并在3个工作日内放水约10 000 m3，后该含水区域出水量趋于正常，后续掘进过程中陆续排水约3 000 m3，顺利通过了该物探异常区。经随后验证，该异常已趋于正常。

值得注意的是：探测过程中由于受仪器关断时间及发射线框的限制，矿井瞬变电磁法探测范围为25～100m；探测深度只局限于视深度的概念，可能与实际探测深度有一定误差；瞬变电磁法属于全方位探测，无法对异常区的距离准确定位；由于地质条件的复杂性及瞬变电磁法固有的局限性，对以上所提的低阻异常区无法做出采空积水或是裂隙发育带积水的明确判断；瞬变电磁法对静态导水裂隙的导水能力缺乏判断，在巷道掘进中对以上提出的重点异常区以外的导水裂隙也必须加以注意；岩性的电性差异也可以造成视电阻率的微小变化。

［1］ 孙银行．瞬变电磁资料的精细处理和解释研究［D］．济南：山东科技大学硕士论文，2007．

［2］ 杨振威，吕庆田，凌标灿，等．瞬变电磁法在探测底板赋水性中的应用［J］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011（8）：27-28．

［3］ 易德礼，徐胜平，金国祥，等．矿井瞬变电磁法在探测工作面顶板富水区的应用［J］．西部探矿工程，2004（12）：36-37．

Application on Transient Electromagnetic Method in Advanced Detection of Rich Water in Coal Mine

He Run-shan

According to the water prevention and control regulations in coal mines，using the recent arisen the transient electromagnetic method carries out advanced detection for rich water of the tunneling face in the coal mine，forecasts the found abnormal areas．As a new geophysical methods，due to its simple and fast advantages，has been widely used in the production．Introduces the application of the transient electromagnetic method in advanced detection of coal mines，and the detection results are verified，in order to do some beneficial discussion for the found problems．

Rich water of coal mine；Advanced detection；Transient electromagnetic method；Forecast

TD745+．2

B

1672-0652（2013）09-0069-04

2013-06-22

贺润山（1966—），男，河北蔚县人，1987年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事矿产地质勘察及技术管理工作（E-mail）294528630＠qq．com