巷-孔瞬变电磁法在探测含导水构造中的应用

李学潜 ， 韩德品， 王 程， 范 涛，李博凡

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

矿井瞬变电磁法是常用的查明掘进巷道迎头前方富水性的方法之一[1-4]。但其观测空间局限于巷道, 探测精度受巷道复杂环境的影响较大[5-7]。利用钻孔，将接收线圈置于钻孔中，形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法[8]。由于钻孔的存在降低了巷道内的电磁干扰对测量结果的影响，并且比常规矿井瞬变电磁法更靠近地质异常体，响应信号更强。前人在此方面做了许多工作，比如张杰推导了矩形回线在空间任意点处产生的一次场表达式，总结出异常曲线的变化特征和规律，并提出三分量数据矢量交汇技术，用于异常体中心定位[9]。陈丁采用积分方程法开展了煤矿巷道孔中瞬变电磁场特征数值模拟研究[10]。范涛通过时域有限差分三维数值模拟分析了孔中数据特征,提出了孔中沿发射法线方向数据的三分量合成和校正技术。闫文超介绍了矿用孔巷瞬变电磁系统在煤矿的试验应用[11]。本文利用巷-孔瞬变电磁法开展了探测掘进工作面前方含导水构造范围及其空间位置的工作。

1 方法原理

瞬变电磁法探测由于对低阻敏感的特性，在煤矿井下含导水地质构造探测有广泛应用[12-15]，其中巷-孔瞬变电磁扇面超前探测可以在迎头前方形成一个较大的扇形探测区域，探查迎头前方的含导水构造区；巷-孔瞬变电磁三分量探测依托钻孔可以使接收位置更靠近异常区，有针对性地对钻孔附近异常进行三维探查，可以与常规超前探测结果相互映证，共同分析。

巷-孔瞬变电磁法的基本原理与瞬变电磁剖面法一致，在常规扇面超前探测基础上，将接收探头置于孔中，孔外按照一定的角度间隔旋转发射线框，逐点测量孔内的接收探头Z分量数据和垂直于钻孔且相互正交的两组水平分量X、Y(X分量垂直于孔向右，Y分量垂直于孔向下)的二次场分析异常相对于钻孔的空间方位，最终形成，扇形超前探测区域和以钻孔为中心，径向一定距离范围内的圆柱形探测区域。探测示意图如图1所示。

两种方法探测能力对比如表1。

表1 常规瞬变电磁与孔-巷瞬变电磁特点

图1 巷-孔瞬变电磁探测示意图Figure 1 A schematic diagram of roadway-borehole TEM prospecting

2 仪器设备

本次探测设备如图2所示，包括YCS2000A瞬变电磁仪1台，多路发射机1台，孔中接收探头3根，发射线框4个，推送杆100根。其中YCS2000A瞬变电磁仪负责数据存储记录，多路发射机负责提供4路发射电流，孔中接收探头负责在钻孔内进行三分量瞬变信号测量。目前孔中探头有φ40mm、φ50mm和φ55mm等多种型号，适用于不同的钻孔探测，该套仪器适用于井下含瓦斯、煤尘爆炸危险环境，同时多路发射机提供相当于12A、40匝的激发能量，可以大大提高信号质量和探测范围。

图2 仪器设备Figure 2 Instruments and equipments

3 施工设计

某煤矿6煤西翼辅运大巷在掘进至第二循探水线时，探放水孔出水较大，根据钻探资料分析，迎头前方可能存在裂隙破碎带，为了探测裂隙破碎带的范围及可能存在的导水通道，开展巷-孔瞬变电磁探测工作。选择F2-19号钻孔进行施工，施工设计图如图3、图4所示，其中图3为侧视图，图4为俯视图。图中洋红色矩形圈定区域为巷-孔瞬变电磁剖面探测区域，设计剖面点距2m，剖面总长100m；图中红色扇形部分为巷-孔瞬变电磁扇面超前探测区域，红色箭头线为每一角度的探测方向，水平方向扇面的探测角度为45°～135°，间隔15°施工，总计7个测点，垂直方向扇面探测角度为30°～90°，间隔10°施工，总计7个测点。

图3 F2-19号孔施工设计侧视图Figure 3 Borehole F2-19 operation design side view

图4 F2-19号孔施工设计俯视图Figure 4 Borehole F2-19 operation design top view

4 探测资料处理

采用专为矿用巷-孔瞬变电磁仪数据处理开发的专用软件。该软件包采用模块式结构，每个模块可以独立执行不同的功能，对资料进行不同阶段处理。

(1)数据读取及显示：包括数据读取、曲线显示、测点编辑等功能，在此模块可以检查曲线形态，对曲线进行手动编辑，剔除不良数据等；

(2)曲线圆滑：主要是利用小波变换对曲线进行圆滑处理；

(3)电感校正：主要是处理小线圈产生的暂态效应，消除小线框的固有过渡过程造成晚期时间道信号显著抬升的影响；

(4)曲线偏移：主要是利用衰减曲线斜率与时间项指数幂项的相关性，以正演曲线为拟合目标，在一定程度上修正晚期信号受到的线框固有过渡过程影响；

(5)视电阻率计算：利用编辑校正后的数据计算得到其晚期视电阻率值；

(6)视深度计算：计算得到相应的视深度值；

(7)自动常规处理：此模块是对上面各种模块功能的集成，利用此模块可以一次性完成上述几项处理工作；

(8)自动绘图：自动绘制视电阻率等值线图。

5 探测成果分析

本次巷-孔瞬变电磁径向探测预报钻孔旁侧半径25m左右的低阻异常区，施工孔深94m，孔中套管深度为12m，实际探测距离为14～94m，从图5中可以看出测区中共有三处较明显的低阻异常①号异常从孔内15m延伸至30m，径向距离约10m，分析认为可能为迎头处其他钻孔的套管引起，鉴于套管对于解释成果为强干扰，推断①号异常为干扰引起的假异常。②号异常从孔内40m延伸至55m，径向距离钻孔距离约13m，该深度正好位于裂隙破碎带边缘，并且钻孔钻进至39m时出水明显，推测②号异常为低阻裂隙带的反应，图中蓝色区域为低阻裂隙带的中心位置。③号异常从孔内90m延伸至94m，并且呈现出加强的趋势，因此分析③号异常还有一定距离的延伸，超出了本次探测范围，径向距离则从孔旁0m延伸至10m，根据钻进到90m出水量变大及钻孔倾角分析，③号异常可能为钻孔导通奥灰水引起。

根据Z分量处理成果显示，②号异常为裂隙破碎带的反应，为了分析②号异常相对于钻孔的方位，需要进行水平分量解释。巷-孔瞬变电磁剖面探测水平分量解释，主要是根据垂直正交于钻孔的两组水平分量X、Y分量的幅值变化，判断异常中心方位角。

钻孔深度/m图5 巷-孔瞬变电磁剖面探测处理成果Figure 5 Roadway-borehole TEM section prospecting processed result

图6为两组水平分量在②号异常区段(46～58m)的纯异常响应曲线，从图中可以看出，两个分量的曲线形态均为先负后正的“S”形态，根据水平分量响应曲线分布图(图7a)可以看出，X、Y分量均为“S”形态时，异常位于第一象限，即钻孔的右下方。进一步根据垂直正交于钻孔的两组水平分量X、Y分量的幅值变化计算得知，异常中心位置的方位角为37.1°(图7b)。

图6 水平分量在②号异常区段的纯异常响应曲线Figure 6 Pure abnormal response curve of horizontal component at abnormal sector No.2

图7 水平分量解释成果Figure 7 Horizontal component interpreted result

根据上述计算成果，分析异常位于钻孔的右下方，将瞬变电磁剖面探测成果根据方位角度计算结果，分别投影在CAD中的俯视图与侧视图中，结果如图8、图9所示。从图中可以看出，②号异常为裂隙破碎带引起，整体位置偏向钻孔右下方，③号异常可能为奥灰水的裂隙通道引起。

图8 剖面探测成果俯视图Figure 8 Sectional prospecting result top view

图9 剖面探测成果侧视图Figure 9 Sectional prospecting result side view

图10为巷-孔瞬变电磁扇面超前探测水平扫面成果，探头位于孔内14m深，有效屏蔽了巷道内及金属套管的干扰，响应信号质量较高。图中黑色直线标注为F2-19号钻孔，探测成果中有三处较明显的低阻异常区，其中①异常最强，位于钻孔右侧约15m，迎头前方约90m处，该异常与剖面探测成果中③号异常一致；②号异常位于钻孔旁侧约10m，孔深50m附近，该异常与剖面探测成果中②号异常位置一致，对比分析认为，剖面探测成果与扇面探测成果一致性较好。图中③号异常位于钻孔左侧50m，迎头前方80m附近，该区域为已经掘进通过的6煤西翼主运大巷，推测可能由于巷道内的金属干扰引起。

图10 巷-孔瞬变电磁扇面超前探测水平扫面成果Figure 10 Roadway-borehole TEM sector advance prospecting horizontal scanning result

图11为巷-孔瞬变电磁扇面超前探测垂直扫面成果，探测成果中有一处较明显的低阻异常区，该异常位于钻孔下方约20m，迎头前方约90m处，该异常与水平扇面中的①号异常和剖面成果中的③号异常一致。在钻孔旁侧20m附近有一个条带装的弱低阻异常分布，推测可能是裂隙破碎带的反应，该区域富水性相对于①号异常较弱。

图11 巷-孔瞬变电磁扇面超前探测垂直扫面成果Figure 11 Roadway-borehole TEM sector advance prospecting vertical scanning result

将巷-孔瞬变电磁扇面超前探测成果放入CAD图中如图12、图13所示。从图中可以看出，测区中的强异常均位于孔深90m附近，水平成果图中偏向钻孔右侧约20m，垂直成果图中偏向钻孔下方约20m，考虑到扇面超前探测分辨率随着探测深度的增加而降低，认为这两个异常为同一异常区的反应，该异常与剖面成果中的③号异常一致，可能为钻孔轨迹偏下后打到了奥灰顶界面，现场估算出水量25m3/h。

图12 水平扇面空间位置Figure 12 Horizontal sector spatial position

图13 垂直扇面空间位置Figure 13 Vertical sector spatial position

两组成果中的弱低阻异常分布在裂隙破碎带附近，该异常对应为剖面探测中的②号异常，该异常位于钻孔右下方，空间位置与剖面探测中的水平分量解释一致。

6 结论

(1)利用掘进工作面超前探放水钻孔开展了巷-孔三分量瞬变电磁超前探测，根据垂直正交于钻孔的两组水平分量X、Y分量曲线为先负后正的“S”形态获得了异常体方位信息，通过综合地质分析推断出破碎带等导/含水构造的位置及范围，保证了6煤西翼辅运大巷的安全掘进。

(2)巷-孔瞬变电磁可充分利用探放水钻孔避开巷道内强干扰因素的影响，可探测钻孔周围含导水地质构造的空间位置，异常大小，效果良好。

(3)物探具有多解性及相对性等特点，相对低阻区一般需要经过钻孔验证，根据涌水量等参数分析判断低阻区富水性强弱，巷-孔瞬变电磁法在该煤矿首次使用，对于煤岩体富水性评价视电阻率等级较准确阈值仍需进一步验证。