瞬变电磁法在采面富水构造探测中的应用分析

闫 龑

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

断层、褶曲以及陷落柱等是煤炭回采时常见的地质构造，上述构造存在导水风险的同时也容易造成瓦斯集聚，给矿井煤炭开采带来威胁[1-2]。采用常规的地震波法具有构造探测精度高、反映明显等优点，但是也存在操作繁琐、投入大以及对构造富水性敏感性低等问题[3-5]。瞬变电磁法依据煤岩体导电性差异来对煤层中存在的构造进行探测，一般情况下，煤层、顶板岩层及地质构造电阻率存在显著差异，在地质构造影响下煤体完整性造成破坏甚至出现错断，探测得到的电阻率参数出现变化，从而为瞬变电磁法探测地质构造提供基础[6-8]。文中采用瞬变电磁法对高河能源W3305综采工作面地质构造进行探测，掌握了采面构造赋存情况，可在一定程度上指导煤炭回采工作。

1 瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法是通过不接地回线或者接地导线向探测区域发送脉冲电流，形成的一次脉冲磁场(等效电流环)向探测区域传播，脉冲磁场受地质异常体影响会出现感应二次场，二次场信号含有地质异常体的时间、空间分布信息。在一次脉冲磁场间歇期间采用接地电极、线圈等观测二次场信号，通过分析二次场电阻率变化情况即可掌握地质异常体位置及类型。

视电阻率可通过式(1)计算[9]：

(1)

式中：tj、ti为相邻两延时道取样(tj>ti)；ρj、ρi为tj、ti延时道视电阻率。

(2)

式中：C为响应系数；S为接收线圈面积；N为接收线圈匝数；t为二次场衰减时间;(V/I)为归一化二次场电位值。

根据公式(1)、(2)计算可得到视电阻率值，再根据计算结果可求得相邻两延时道值，从而获取到探测区域内的视电阻率。由公式(2)可以看出，发射及接收线圈固定后、线圈匝数保持不变，影响计算结果的因素为归一化二次场电位值，因此在实际应用时精准获取电位值尤为重要。电位值差异是探测区域内煤岩体导电率的综合响应，通过对比探测位置视电阻率值即可判断探测区是否存在低阻、高阻地质异常区。大量的工程应用及研究结果表明，当探测区域内存在破碎带煤岩体、断层或者瓦斯集聚区时均会有一定的高阻反应出现。

2 现场应用分析

2.1 现场概况

高河能源有限公司W3305综采工作面位于井田西北部，区域地质构造复杂，预计采面内局部位置发育有应力集中、隐伏断层等。3号煤平均厚度6.4 m，顶板岩层岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，底板岩层岩性以黑色泥岩、砂质泥岩为主。回采巷道在掘进过程中发现局部区域内有顶底板及掘进迎头煤体内裂隙发育、瓦斯含量有所增加，给巷道掘进工作带来一定威胁。为了给采面回采创造良好条件，提出在W3305采面运输巷、回风内采用瞬变电磁法探测开采范围内煤层及顶底板内富水区。

2.2 现场探测

在W3305综采工作面采用全方位探测技术方案进行探测，并在探测时严格按照技术方案执行。在采面运输巷、回风巷内布置的瞬变电磁测点间距均为5.0 m，并按照垂直煤层顶板、60°仰角、30°仰角、垂直煤壁、30°俯角、60°俯角、垂直煤层底板等7个方向对煤层顶底板、煤层内地质构造富水性等进行探测，具体布置见图1。在采面内运输巷、回风巷分别布置270个测点。

瞬变电磁探测时施工参数见表1。通过连续探测获取到W3305工作面回采巷道扇形视电阻率剖面图，综合探测结果及巷道掘进情况，将视电阻率在60 Ω·m以下区域划分为低阻异常区；视电阻率在260 Ω·m以上区域为高阻异常区。

图1 测点探测方位示意

表1 瞬变电磁施工参数

2.3 瞬变电磁探测数据解释

瞬变电磁探测获取到的数据处理过程为：原始探测信号的过滤及处理—视电阻率计算—时间、深度转换—生产坐标、深度对应的视电阻率等值线图。

在对探测区数据计算、处理后，依据探测区域内的煤岩物理参数、地质特征，对探测区进行综合分析，划定低区异常区从而判定探测区内是否存在富水异常区。在W3305综采工作面采用专业处理软件对瞬变电磁探测数据进行处理，具体是：生成探测点7个探测方向上视电阻率等值曲线；依据各测点探测结果对探测点位置、深度、方向等空间坐标进行编排，实现采面全空间范围内的探测结果反演，最终形成顶板、采面、底板约80 m范围内的煤岩体三维空间视电阻率分布等值线；对煤层及顶板上重点层位进行提取、切片。根据探测结果，对采面富水异常区进行分级圈定，其中一级、二级、三级富水异常区视电阻率范围为：≤20 Ω·m、20～40 Ω·m、40～60 Ω·m。具体获取到的采面顶底板低阻异常区三维图见图2、采面顶底板及煤层内低阻异常区分布情况见图3。

图2 采面顶底板低阻异常区三维图

从探测结果看出，采面顶底板及煤层内均存在多处低阻异常区，初步判断主要为隐伏小断层。受隐伏断层影响，附近岩体破碎、裂隙发育，从而使得顶底板及煤层中裂隙水在断层附近集聚。

图3 采面顶底板及煤层内低阻异常区

2.4 钻探验证分析

根据W3305综采工作面瞬变电磁探测结果，矿井在低阻异常区内针对性布置探放水钻孔，对采面影响范围内的富水地质构造及富水区域进行系统性探放，并对物探成果进行验证分析。钻探结果表明，煤层顶板上的1～5号低阻异常区内施工的探放水钻孔均有水涌出，但是涌水量均不大,在1.2～2.2 m3/h；煤层内的6～10号低阻异常区均未隐伏小断层，落差在0～2.0 m间，钻孔涌水量在0.5～1.5 m3/h；底板施工的探放水涌水量在0.5 m3/h以内。预计顶底板及煤层内的富水体、隐伏断层等不会给采面煤炭生产造成显著影响。

3 结 语

1) 根据W3305综采工作面地质情况，提出采用瞬变电磁法对采面开采影响范围内的富水体机富水地质构造进行探测，并对瞬变电磁法探测原理以及现场布置方案进行详细阐述。

2) 现场探测发现W3305采面顶板、底板及开采的煤层中有17个低阻异常区，后采用钻探方式对采面影响范围内的低阻异常区内富水情况进行探测。发现探测到的低阻异常区内均有一定程度的涌水，但是涌水量均较小，预计富水异常区不会给采面回采安全带来显著影响。