瞬变电磁法在矿井水害预测防治中的应用

马延君 孟 明

（1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 泰安 271000；2.北京中地英捷物探仪器研究所，北京 102200）

矿井水害长期以来一直制约着我国煤矿资源的安全高效开采，煤层底板突水或老空区出水淹井事故时有发生。超前探测巷道掘进前方及工作面顶底板岩层中的水害源的位置和水量状况，对减少或杜绝巷道掘进以及工作面顶底板水害事故的发生具有重要意义。作为一种非接触式的快速勘探技术，多匝小回线装置形式的矿井瞬变电磁法在井下巷道内直接采用线圈来探查其周围空间异常富水体，既适合井巷条件又克服了接地条件对探查结果的影响，在矿井水害的超前探测中应用非常广泛。为此，笔者在山东某矿底板富水性的超前预报中采用了矿井瞬变电磁法，对该矿3702 工作面未采区底板含水岩层富水情况进行了探测，探测结果与钻探验证结果基本吻合，取得了良好的应用效果。

图1 轨道巷90°方向电阻率色谱断面图

图2 轨道巷30°方向电阻率色谱断面图

图3 轨道巷45°方向电阻率色谱断面图

1 井田地质地球物理特征

井田为全隐蔽的华北型石炭、二迭系煤田。煤系以中、下奥陶地层为基底，沉积了中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二迭统山西组、下石盒子组，上二迭系上石盒子组，其上覆盖是第三系和第四系。井田构造为一走向北东，倾向北西的单斜构造，倾角一般5～8°，部分地层（13 层煤露头部位及深部）大于10°，三维区主体为一宽缓的单斜构造形态，地层倾角一般为4～7°，浅部地段可达15°。次一级褶曲不甚发育，有三层岩浆岩侵入，构造复杂程度中等。主要断层为F15，走向北北东，倾向北西西，落差较大；另外区内还有一定数量的较小断层。井田岩浆岩侵入的厚度、范围和侵入层位较大，而且在山西、太原组煤系地层中基本形成三层侵入岩床，活动较强烈，对煤层、煤质均有相当大的影响。井田含煤地层为上石炭统太原组和下二迭统山西组，平均总厚度260.85m，井田可采煤层及局部可采煤层5 层。

3702 工作面底板岩层主要为粉砂岩、细砂岩，威胁7 煤安全开采的主要含水层为岩浆岩含水层，当岩层裂隙发育，结构破碎且不含水时将呈现比正常岩层电阻率高的电性特征；若裂隙、构造破碎带中含矿井水，由于矿井水的矿化度较高，测量电阻率值将明显低于正常岩层的电阻率，呈现低电阻率异常特征，其低阻异常程度取决于岩层中富水程度。

在断层发育区，断层破碎带与正常地层在电性上具有明显差异，当断层破碎带不含水时，将呈现高电阻率特征，而当断层破碎带含水时，将呈现出低电阻率特征。

据此，通过瞬变电磁测深法探测煤层顶底板岩层电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和富水性，这是本次瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。

2 工作方法与技术

图4 3702 工作面底板下30 米（a）、60 米（b）、80 米（c）视电阻率顺层切片图

矿井瞬变电磁探测采用的仪器为加拿大PROTEM-47 型瞬变电磁仪，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。由于探测采用小线框，点距可以根据勘探任务要求变化。实际测量时，采用多匝线框，在巷道侧帮测量时，线框平面可根据探测任务的要求设计相应探测方向。发射线框和接收线框分别为匝数不等、且完全分离的两个独立线框，以便与地下（前方）异常体产生最佳耦合响应。若发射线框和接收线框水平放置于巷道，则探测巷道正上方顶板或正下方底板一定范围的电阻率分布；若发射线框和接收线框倾斜放置于巷道，则探测巷道侧上方顶板或侧下方底板一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断顶板或底板岩层的富水性。

为了使探测范围能够全部或基本全部覆盖3702 工作面底板富水范围，满足探测地质任务的要求，根据3702 工作面实际采掘条件，在3702 工作面轨道巷和运输巷各设计了90°、45°、30°（发射线圈平面法线方向与水平面的夹角）3 个不同的探测方向，基本上覆盖了3702 工作面底板深度100m 内的范围。

本次探测轨道巷3 个探测方向的点距20m，测线长度930m；运输巷点距20m，测线长度850m。矿井瞬变电磁法在井下巷道中采用多匝数小回线测量装置，通过现场试验确定装置参数为：回线边长1.5m×1.5m；回线匝数84 匝；采用30 门模式，重复频率25Hz；延迟时间6μs；发射电流：2.9～3.1A；测量装置选择偶极测量装置。

3 数据处理

数据处理分为预处理和解释处理。预处理包括数据转换与质量检查、极性校正、测线和测点编辑、磁场计算等（即由磁场变化率Bz/T 求取Bz，Bz 是磁场的垂直分量）等，解释处理包括计算全程视电阻率、一维反演计算、电阻率成像变换、拟二维电阻率剖面和电阻率顺层切片等，并将数据转换为Surfer 绘图软件所需的格式，利用Surfer 软件绘制TEM 各探测方向二维电阻率剖面图以及电阻率顺层切片平面图。

4 成果分析

4.1 探测方向电阻率剖面图

探测方向电阻率剖面图是通过视电阻率的一维正反演，电阻率成像变换后形成的拟二维电阻率剖面图，电阻率色谱变化反映了测线沿探测方向的电阻率分布特征，并根据其分布特征进行水文地质解释。因井下巷道中金属支架和轨道的影响，反演电阻率值将小于实际地层的电阻率值，但这种影响在大部分测段具有统一性，可作为系统偏差来考虑，不影响通过电阻率的相对变化的大小进行地层富水性解释。下面以轨道巷探测方向视电阻率剖面图（图1、2、3）为例进行详细分析。

从探测方向视电阻率剖面图来看，结合已知信息，3702 工作面底板富水主要是由于岩浆岩富水所致。其中相对较强富水区段为图中虚红线包围区域推测是由于岩浆岩破碎所致；中等富水区段为紫实线和虚红线中间范围；其余区段电阻率相对较高，推断砂岩富水性相对较弱。在轨道巷90°探测方向30-80 米发现富水相对较强的条带1 个；在轨道巷45°探测方向发现富水较强的区域4 个，分别标注为A1、A2、A3、A4，但异常范围较小；在轨道巷30°探测方向发现富水较强的区域5个，大部分连续性较好，推断在该层位距离轨道巷较近的区域富水程度较高。

4.2 目的层视电阻率等值线切片图

根据各剖面图目的层电阻率的分布形态，影响3702 工作面安全开采的突水威胁主要为底板的岩浆岩富水，考虑到地层倾向变化，因此电阻率顺层切片图数据取自轨道巷和运输巷各自的三个探测方向（90°、45°、30°），分别为底板下30米、60 米和80 米。该顺层切片图（图4）反映了岩浆岩在工作面探测范围内的电阻率分布特征，可以根据其分布特征进行水文地质解释，分析3702 工作面底板下含水岩浆岩分布情况。

从3702 工作面顺层切片图来看，并结合已知信息，划定了三类富水区域：蓝色曲线圈定范围为强富水区域，紫色曲线圈定范围为相对强富水范围，黄色曲线圈定范围为弱富水区域。具体在底板下30米位置，轨道巷测线点号30-37 处强富水；在底板下60 米位置，轨道巷测线点号点0-1、6-10、14-22、25-29 这4 处位置强富水，在底板下80 米位置，运输巷测线点号20-27 处为强富水区域。总体上来说，随着深度的加大，强富水范围逐渐向运输巷方向偏移，且深部整体富水范围较浅部为大。

结论

本次勘查以瞬变电磁法为主要技术手段，通过对其反演数据的认真分析，结合测区地质条件和钻井资料，基本查清了3702 工作面底板的富水性。探测结果与钻探验证结果基本吻合，证明探测效果良好，为煤矿安全生产提供了可靠的技术支持和安全保障，说明瞬变电磁法在矿井掘进巷道前方或旁侧的含水构造及岩层的含水性探测等方面的矿井水害预测防治中具有重大的实用价值。

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