工作面迎头瞬变电磁法探测及探放水设计

管 洪 刘 超 姜佩文

(1.黔西南州安全生产监督管理局;2.贵州建设职业技术学院)

我国是世界上煤矿水文地质最为复杂的国家之一，在我国煤矿特别重大事故中，透水事故以死亡人数为评价标准，是仅次于瓦斯事故的第2大事故，死亡人数约占事故总死亡人数的14.6%［1］。由于缺乏详细的矿井水文地质资料，矿井的透水事故大多发生于巷道掘进和工作面回采过程中，因此在巷道掘进和工作面回采之前，利用物探技术查明地下富水区域及地下岩溶水道的分布情况，对预防煤矿透水事故的发生，具有一定的实际意义［2］。

目前，矿井常采用的物探防治水方法主要有电磁波透射仪、音频透视仪、矿井瞬变电磁法、地震波法和矿井地质雷达法等［3］，矿井瞬变电磁法具有勘探深度大、抗干扰能力强、横向分辨率高、施工效率高等优点，被广泛应用于矿产勘查及水文、工程勘察等领域。以贵州省息烽县某煤矿1406沿煤层回风巷为例，深入探讨了瞬变电磁法在煤矿防治水方面的应用。

1 瞬变电磁探测

1.1 地球物理条件

由地层电性分布规律知，煤层电阻率相对较高，砂岩次之，黏土岩类最低。在原生地层状态下地层的电性在纵向上是变化的，而在横向上则是单一的。由于水是导体，在断层、裂隙、陷落柱等地质构造的作用下使岩层含水时，岩层的电阻率降低，并随着其含水率的增加而减小;如果不含水，岩层处于断开状态，局部电阻值便会增大，从而打破原始地层在纵向和横向上的电性变化规律，这就为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件［4］。

1.2 探测装置

目前，煤矿采区水文勘探中常用的瞬变电磁法主要装置有重叠回线、中心回线及大回线定源［5］。重叠回线的接收线框边长与发射线框一致，接发距为0的组合，该装置形式与地质探测对象有最佳耦合;中心回线为重叠回线的改进形式;大回线定源是采区瞬变电磁法常用的一种装置，发射回线采用边长为数百米的矩形回线，在回线内外侧布置测线，采用小型线圈或探头沿测线进行观测。

1.3 探测方法

瞬变电磁法在煤矿井下巷道内施工时，测点间距一般为2～10 m。在探测过程中，通过调整发射线框与煤层底板间的夹角，来探测煤层内含水构造异常体在纵向和横向的发育规律。在探测分析过程中，可以根据TEM视电阻率扇形图，结合矿井水文地质资料，确定超前工作面横向、水平深度和纵向深度上的电性变化规律。在巷道掘进前或工作面回采之前，可通过现有的巷道对相邻工作面未掘巷道实施侧向探测，确定含水异常体的孕育范围，为巷道掘进或工作面回采中防、探水工作提供依据［5-6］。

2 应用实例

2.1 工程概况

贵州省息烽县某煤矿水文地质条件中等，矿井正常涌水量为30 m3/h，最大涌水量为50 m3/h。矿区内无大的断层，局部出露季节性泉水，对矿床充水作用甚微。区内老窖和小煤矿分布广泛，且开采历史悠久，大部分已被关闭。老窖采空冒落造成地表开裂，塌陷，致使地表水及降雨由裂隙渗入老窖蓄积。矿区内冲沟发育，切割较深。同时有些冲沟常年有水，枯季流量较小，雨季暴涨。因此，在上述地表水体下采煤应注意地表水渗入。矿井主要充水水源为大气降水。

该煤矿采用平硐斜井综合开拓方式，1 325 m以上分为一采区，1 260～1 325 m为二采区，1 175～1 260 m划分为三采区。1406采面开采二采区M4煤层，1406沿煤层回风巷设计布置于目前1406回风石门处，从石门揭露煤层处按0°方位角掘进。1406回风石门迎头是煤层，左右帮是泥质粉砂岩、粉砂岩，含较多黄铁矿的煤层底板。现场无水，无金属体影响。为了防止在掘进过程中误穿老窖、裂隙、冲沟等地下水体，有必要超前探测该回风巷区域内的水文地质情况。

2.2 测点布置

探测地点为回风石门迎头，受工作空间的限制，采用多匝小回线的发射和接收装置［7］。为了确保有足够的发射功率和足够强的有用感应信息，探测采用2 m×2 m的多匝数重叠回线装置即发射回线(Tx)的中心点与接收回线(Rx)的中点在空间上重合，也即接发距为0的组合。观测时接收线圈贴近掘进工作面，轴线指向探测方向。

探测采用的是多匝数重叠回线装置，发射线圈半径很小，且电磁场等效电流环将沿47°倾斜锥面向线圈平面前方扩散。在煤矿井下巷道内探测时，主要依据探测距离和煤层倾角来确定线框的布置位置，同时根据仪器的探测深度范围来确定测点间隔，在保证勘探精度的同时尽量减少工作量。

测点布置于距设计的1406沿煤层回风巷平距17 m处，测点间距为10 m，探测角度依次为+45°、0°、-45°，即与水平成 45°角往顶板方向，沿水平方向探测，与水平方向成45°往底板方向等3个方向，从而可以超前探测垂直于煤(岩)层平面内的所有异常构造。各点的探测方向见图1。

此次探测为回风石门迎头超前探测测点平面布置见图2，图中的角度表示与水平方向的夹角。探测中共设计了9个探测点，每个探测点往3个方向探测，每个方向的测点形成1个视电阻率拟断面图，共形成3个视电阻率拟断面图，分别为与水平成45°角往顶板方向，与水平成0°角方向，与水平成45°角往底板方向。

图1 各点探测方向示意

图2 测点平面布置示意

2.3 探测成果分析

采用YCS160型矿井瞬变电磁仪配套的Windows处理系统对瞬变电磁的探测数据进行处理，主要流程为:读取文件→数据预处理→数据滤波→后沿改正→调用Surfer软件绘制成果图件。经过处理得到:①贵州省息烽县某煤矿1406沿煤层回风石门与水平方向成45°角往顶板方向探测的视电阻率等值线拟断面图见图3;②沿水平方向探测的视电阻率等值线拟断面图见图4;③与水平成45°角往底板方向探测的视电阻率等值线拟断面图见图5。由于瞬变电磁法受关断时间的影响，无法探测到更浅部的异常体［6］，因而视电阻率拟断面扇形成果图中间有1个小的扇形缺口。

图3 与水平成45°角往顶板方向探测成果

由图3可知，图存在1处低阻异常区域，低阻异常区位于1406沿煤层回风石门右侧角度40°～50°，横坐标范围为65～90 m，纵坐标范围为60～80 m，视电阻率为10～20 Ω·m，视电阻率相对较低，其他区域视电阻率均较高。由图4可知，图中存在3处低阻异常区域:①第1处低阻异常区位于1406沿煤层回风石门左侧角度105°～110°，横坐标范围为25～35 m，纵坐标范围为90～95 m，视电阻率为30 Ω·m，视电阻率相对较低;②第2处低阻异常区位于1406沿煤层回风石门右侧角度55°～62°，横坐标范围为50～60 m，纵坐标范围为80～90 m，视电阻率为30 Ω·m，视电阻率相对较低;③第3处低阻异常区位于1406沿煤层回风石门右侧角度12°～33°内，横坐标范围为85～115 m，纵坐标范围为18～50 m，视电阻率为20～30 Ω·m，视电阻率相对较低，其他区域内视电阻率值均较高。由图5可知，探测区域内视电阻率均高于80 Ω·m，无低阻区域。

综上所述，设计的1406沿煤层回风巷在探测区域内均为高阻反应，无裂隙带、老窖蓄积区及含水层。在1406沿煤层回风巷右侧有低阻异常区域，可能存在裂隙含水。

图4 沿水平方向探测成果

图5 与水平方向成45°往底板方向探测成果

3 超前钻探验证

为了验证瞬变电磁探测成果，确保设计巷道不经过老窖及地表水渗入裂隙，在1406沿煤层回风巷巷道开口前，在开口点位置沿巷道设计方位角90°、60°和30°施工探水钻孔3个，钻孔倾角均为5°。钻孔布置情况见图6。

图6 钻孔布置示意

钻孔在施工过程中采用水力排粉无芯钻进，由钻孔记录资料可知:①90°方向的钻孔钻进为全煤，在钻进过程中从钻孔流出的水量正常，未发现钻孔底发软;②60°方向的钻孔钻进为全煤，在钻进过程中从钻孔流出的水量正常，未发现钻孔底发软;③30°方向的钻孔钻进为全煤，在钻进过程中水的消耗量在90 m处出现水量增多的异常现象，但随后又恢复正常，未发现钻孔底发软。对上述钻孔信息分析表明，该区域有小裂隙，存在少量的裂隙水，对巷道掘进无影响。

4 结语

以贵州省息烽县某矿1406沿煤层回风巷为例，进行瞬变电磁法探测，结果表明，该回风巷左右帮及顶底板30 m范围内均为高阻区，含水性弱，无大的水体及含水层，确定了该回风巷前方水文地质情况，与超前钻孔验证结果基本一致。这进一步表明，瞬变电磁法探测结果可靠性较强，可用于矿井作业点水害预测。

［1］陈 娟，赵耀江.近十年来我国煤矿事故统计分析及启示［J］.煤炭工程，2012(3):137-139.

［2］刘振庆，于景邨，胡 兵，等.矿井瞬变电磁法在探查迎头前方构造中的应用［J］.物探与化探，2011，35(1):140-142.

［3］刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005

［4］满在山，王档良，曾广东.矿井瞬变电磁法在新驿煤矿探水中的应用［J］.煤炭科学技术，2009(4):106-109.

［5］刘树才，刘志新，姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用［J］.中国矿业大学学报，2005，34(4):414-417.

［6］岳建华，姜志海.矿井瞬变电磁探测技术与应用［J］.能源技术与管理，2006(6):72-75.

［7］张 华，曹 军，孙 海.瞬变电磁法多匝重叠小回线装置实验研究［J］.地震地质，2010，32(1):90-96.