电磁波透视与瞬变电磁在回采面中的联合应用

韩文武

(阳泰集团实业有限公司，山西 晋城 048100)

0 引言

水害作为煤矿五大灾害之一，一直以来阻碍着煤矿的安全生产[1]。尤其是近年来，随着煤矿开采深度的加深，煤层开采过程中不仅面临着底板奥灰水的突水危险，同时受顶板上部水害的威胁而日益严重[2]。因此，在巷道掘进和工作面回采前查明煤层及顶底板含水条件，对于安全生产至关重要。目前，对于煤矿水害的探查，主要依赖直流电法、高密度电法和瞬变电磁技术等电磁法类物探方法[3]。电磁法类物探技术对于富水体的低阻特征响应明显，可有效划分含水区域，尤其是瞬变电磁法凭借其方便、快捷的特点，广泛应用于井下采空区积水、底板突水区、顶板裂隙含水区及其它含水地层的探测[4]。但是对于含水区域与构造因素的关联系不能直接的识别，仅依赖于地质分析。而电磁波透视可识别工作面内部断层、陷落柱、夹矸、煤层变薄带、瓦斯富集区等地质异常体的分布特征[5]。因此，可综合利用电磁波透视和瞬变电磁2种物探技术以探查煤层内部、顶板构造及顶板含水区域。即先期利用电磁波透视以查明工作面内部的构造分布情况，再利用瞬变电磁以查明这些构造在煤层及顶底板方向的含水性。基于此思路，在山西西冯街煤矿某工作面开展了应用试验，以探讨其应用的可能性，从而推广应用至煤矿生产一线。

1 电磁波透视与瞬变电磁基本原理

1.1 电磁波透视基本原理

电磁波透视技术，又称无线电波透视，其利用电磁波在煤矿传播中的衰减分布情况来识别煤层中的构造异常分布情况。即电磁波在煤层传播过程中遇到断层、陷落柱、夹矸、煤层变薄带和瓦斯富集区等异常地质体时，受反射、折射及吸收作用，其场强强度出现衰减，如图1所示，特定频率下的接收电场场强为[5-6]

图1 电磁波透视原理示意

(1)

式中，H—接收场强值；H0—发射场强值；β—电磁波衰减系数；r—发射-接收长度；θ—接收点相对发射点偏移角。其中，电磁波衰减系数β因地质体差异性而不同，根据接收场强值即可反演出电磁波衰减情况，即衰减成像，根据衰减成像图以及接收衰减曲线可判定异常的分布范围和类型。

1.2 瞬变电磁基本原理

瞬变电磁法也是一种电磁法物探技术，其利用发射天线向探测目标前方发射瞬间一次电场，在关断电流的瞬间产生一个磁场，一次磁场遇到前方地质体产生感应二次电场，利用接收天线，接收该感应二次电场，通过接收不同时刻的感应二次电场即得到二次场随时间的衰减曲线。根据衰减曲线可反演得到探测前方的视电阻率分布情况。不同的地质体，其感应有所差异，呈现为不同的衰减特征，均匀介质其衰减曲线为一斜直线，高阻体为下凹趋势，低阻体为上凸趋势[7]，如图2所示。

图2 瞬变电磁原理示意

瞬变电磁在煤矿井下属于全空间场域，即全空间响应，则全空间反演的视电阻率为[8-10]

(2)

式中，C—全空间响应系数；μ0—磁导率；t—二次场衰减时间；N—线圈匝数；V/I—归一化二次场电位值；S—接收回线线圈面积。

2 应用实例

2.1 地质概况

工作面概况：本次试验工作面位于山西西冯街煤矿3号煤层四盘区，切眼至停采线走向长720 m左右，倾向长200 m。主采煤层为3号煤层，煤层厚5.93～6.73 m，平均厚6.22 m。含0～2层夹矸，矸厚0.02～0.75 m。煤层结构简单，平均倾角为3°。直接顶板多为粉砂岩、泥岩，均厚1.5 m，直接顶下常有0.10～0.20 m的炭质泥岩或灰色泥岩伪顶，老顶为灰色细粒砂岩；底板为砂质泥岩、粉砂岩，均厚1.35 m。工作面双巷掘进过程中，揭露顶底板岩层均较软弱，且节理较为发育，局部揭露小断层发育，未见陷落柱。已探明断层有5条，进风巷掘进揭露F1∠58°H=1.3 m、F2∠55°H=0.7 m、F3∠60°H=1.7 m、F4∠50°H=26 m共4条断层，运输巷掘进揭露F5∠83°H=1.8 m。

主要含水层：煤层上覆存在第四系松散沉积物孔隙含水层，二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层组，二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层组。未见采空区积水，两巷道局部存在顶板滴水现场。其矿井充水水源主要为大气降水、地表水和煤层上覆含水层裂隙水。导水通道有断裂带、裂隙等天然通道，也有采煤后形成的冒落带和导水裂隙带等人为通道，还包括在水压力作用下突破煤岩层隔水层所形成的导水通道等。可见，该工作面水害主要以顶板裂隙水为主。

2.2 电磁波透视试验

定点扫描：根据工作面具体情况，采取定点扫描法，即将发射机工作面一侧巷道相对固定，接收机在另一对应巷道一定范围内逐点接收其场强值的一种工作方法。测点间距为10 m，发射点间距为50 m，每个发射点对应11个接收测量点。其中进风巷长720 m，布置23个发射点、73个接收点，停采线位置为0号点；运输巷长750 m，布置23个发射点、76个接收点，停采线位置为0号点。

数据处理：采集的电磁波透视数据经过室内数据处理，得到电磁波衰减系数层析成像成果图，如图3所示。整个工作面总体上电磁波衰减系数β在0.32～0.43范围之间。结合已揭露地质资料和探测成果，将衰减系数在0.40～0.43范围定义为相对衰减区，其他为相对正常区域。为突出衰减区域，特将相对正常区域颜色去掉留白，黑色区域即为相对衰减区域，且颜色越黑衰减越严重。

图3 电磁波透视成果

断层分析：整个工作面共划分出4个电磁波相对衰减区，自切眼向停采线方向分别定义为K1、K2、K3和K4。其中K1区域在巷道掘进过程中揭露一断距1.8 m的小断层F5，即该区域为断层发育区域。K2、K3区域巷道均未见其它地质异常揭露，根据其长条形分布，推测K2为小断层或裂隙发育，K3区域衰减严重、范围大，推测其断距相对较大，对回采影响相对偏大。K4区域巷道揭露了K1、K2这2条1.3 m和0.7 m的小断层F1、F2，即该区域为断层发育区域。

2.3 瞬变电磁试验

测点布置：根据回采工作面煤层倾角较小的条件，近似水平状态，为探测工作面煤层内部及顶板岩层含水条件，并兼顾底板含水条件。在进风巷、运输巷均设计了底板30°、水平0°、顶板向上30°、顶板向上45°、顶板60°、顶板90°，每个测点共计6个方向，如图4所示。为更好的结合电磁波透视结果进行后期综合分析，测点间距和电磁波透视保持一致，即进风巷73个测点、438个物理点，运输巷76个测点、456个物理点，共计149个测点、894个物理点。

图4 瞬变电磁探测方向示意

绘制视电阻率剖面图：瞬变电磁数据经处理后得到12张不同探测方向的视电阻率剖面图。12个不同方向的视电阻率数据可抽取底板-20 m、煤层、顶板+20 m、顶板+40 m、顶板+60 m和顶板+80 m等不同深度的视电阻率分布切片。运输巷顶板30°和顶板20 m深度切片的视电阻率分布图分别如图5、6所示。

图5 回采工作面运输巷向上30°方向视电阻率剖面

瞬变电磁解释：在瞬变电磁解释时，以“水文地质研究与物探资料解释相结合，定性解释与定量解释相结合”的基本原则，采用综合处理与解释互动，减少多解性，提高解释可靠性。同时，排除受关断效应和近场区的影响，根据视电阻率值相对高低，来判定地层的含水性。通过2条巷道各自6个探测方向的视电阻率剖面图的横向对比分析，参考以往探测经验确定划分水文异常的视电阻率阈值。阈值的确定应参考围岩背景值以及电阻率与含水率的关系等因素，需要综合考虑到异常区的范围大小、视电阻率大小、水文地质条件等因素。综合各种因素，把视电阻率值低于35 Ω·m判定为瞬变异常区，作为重点防治水区域。

图6 回采工作面顶板+20 m视电阻率切片

断层分析：根据各方向视电阻率断面图及工作面顶底板不同深度视电阻率切片，结合地质条件及现场巷道实际情况综合分析可知回采工作面煤层及顶板含水性。各探测方向整体上看视电阻率值相对偏高，低视电阻率分布不明显，局部数据离散，探测范围内煤岩体富水性相对较弱。整个工作面共识别4处视电阻率值低阻异常区，自切眼向停采线方向分别定义为Y1、Y2、Y3和Y4，如图7所示。其中，Y1受切眼处回采机械设备干扰而产生的低阻异常体，且未见电磁波透视衰减，则分析其含水可能性较小。Y2处有小断层F5揭露，电磁波透视也存在衰减现场，对应电磁波衰减区K2，故推测该区域应存在小断层或裂隙带，且存在一定的富水性。Y3同Y2相似，虽巷道未揭露异常地质体，但存在电磁波强衰减区K3，故推测该区域应存在导水断层，在回采过程中需要重点关注。Y4处揭露2条小断层且与电磁波衰减区K4一致，巷道顶板存在滴水现场，因此推测其为上覆地层在断层处的渗流水，但巷道已掘进揭露该断层，故分析其突水威胁性不大。此外，电磁波衰减区K1未见瞬变电磁异常，故分析该处揭露的断层不导水。

图7 回采工作面瞬变电磁探测成果

2.4 钻孔探查

为进一步验证电磁波透视和瞬变电磁的探测结果，针对Y1、K1、Y2(K2)、Y3(K3)、Y4(K4)5处异常进行钻探，以查明地质和水文条件。Y1在运输巷71号点处垂直工作面、30°倾角的钻孔，钻进50 m未见涌水，与探测结果一致，属于设备干扰的低阻异常。K1在运输巷66号点处垂直工作面、水平钻进30 m未见流水，但见矸，属于钻遇小断层。Y2(K2)在运输巷52号点处垂直工作面、水平钻进23 m出现流水、煤层破碎，验证了该处存在导水裂隙带。Y3(K3)在进风巷39号点处垂直工作面、水平钻进36 m出现流水，钻进52 m处见矸石，属钻遇断层，验证了该处存在导水断层的探测结果。Y4(K4)在进风巷29号点处垂直工作面、水平钻进17 m见矸石，即钻遇F1断层，而且存在流水现场，即该断层对于上覆含水层具有一定的输导作用，其与探测结果相一致。

3 结语

通过电磁波透视与瞬变电磁基本原理分析和实际探查，并经5处钻孔施工，进一步验证了前期电磁波透视与瞬变电磁联合探测结果的准确性。电磁波透视与瞬变电磁法的联合应用，可有效探查回采工作面中的断层、裂隙带等地质异常体，并可判断其富含水性，对于导水断层、导水裂隙带定位准确、快捷。可很好为工作面回采提供安全指导，从而降低地质灾害和水害等灾难，为煤矿安全生产及发展提供技术支持，值得推广应用于生产一线。