矿井瞬变电磁法和震波单点法巷道勘探研究

景 贺

（晋能控股晋城煤炭事业部宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000）

1 超前物探工程概况

东大煤矿是晋能集团和晋煤集团2018 年联合获批的新型矿井，目前开采3#煤，巷道沿底掘进，岩巷位于煤层下部15～20 m，主要是砂质泥岩和细粒砂岩。根据现有已知的水文地质条件，所规划的井田范围内含水层有奥陶系马家沟组，主要以岩溶裂隙为主的含水层；太原组含水层，根据钻探资料推测，属弱富水性含水层，但不排除局部富水的可能；山西组含水层主要由砂岩组成，厚度19～36 m，主要为构造裂隙为主的含水层，为3#煤层顶板主要含水层。

由于工作面范围含水层较多，并且新矿井地质资料较为匮乏，为了避免安全事故发生，矿方决定在8-20 中央进风大巷128 m 处进行超前探测，勘查中央进风大巷掘进头前方构造发育区域及含水体分布。

鉴于现场无大的声波和地震波噪声干扰，两帮为锚杆网支护，迎头处无支护影响，迎头前方岩石较松散，并且有足够空间进行锤击，决定应用矿井瞬变电磁法和地震法两种方法进行超前探测，探测巷道前方范围为100 m。

2 超前物探的基本原理及设备介绍

2.1 矿井瞬变电磁（TEM）特点及设备

矿井瞬变电磁法（TEM）受矿井条件限制，在探测点布置、系统设计、数据收集和处理方面与其他探测方式有明显区别[1-3]，有以下特点：

（1）矿井瞬变电磁法是根据空间的应变响应分析，探查的效果会受到矿井环境的影响，如矿井巷道中的金属轨道和线框装置，或处于较高应力状态的煤岩体影响，一般来说有效探测范围约为200 m。

（2）井下瞬变电磁法使用的多匝回线装置的边长为1.5m，装置体积小，工人劳动强度低，数据收集工作的效率提高，成本较低。

（3）矿井瞬变电磁法对构造区或含水率高等高阻力区域的穿透能力强，同时对正常无异常地区的探测分辨能力较强，探测深度所需的极距小，故而TEM 更适应于井下的构造区探测。

此次探测选用的仪器为煤科院设计研发的TEM-6 大功率瞬变电磁仪，中心接收探头为T50（等效面积为100m2））装置，最大供电脉冲电流为1500 A。勘探装置主要采用重叠的回线组合方式，激发圈和接收圈均使用边长为1.5 m的正方形线圈，其中激发圈的线圈匝数为16，接收圈的线圈匝数为4。供电电流设计为60 A，数据采样速率为16 µs，供电脉宽约10 ms。实际勘探过程中，为有效提高探测数据的准确性，每个测点至少经过30 次叠加以提高信噪比。

2.2 震波单点超前探测特点及设备

震波单点测试是通过地震波自发自收的方式对巷道前方的不明地质体进行探测，即单次发射的震波反射回来的声波有相应的单个接收仪器，并对数据进行独立处理。探测主要利用不同介质对相同地震波的波抗阻不同，其通过介质面产生的反射波来探测不良地质带的范围和程度[4-5]，反射波的形式为垂直反射，偏移量为0。因此，在使用震波单点测试时，需要尽量减小接收器和震源的距离，但需要避免两者直接接触。

单点震波探测设备选用KDZ1114-6A30 煤矿地质勘探器，是基于震波学和动力学理论，通过数值模型，算法反演和图像处理等方法展开图像分析，进而解决井下掘进范围内不明质地区域的勘探难题。关于震波单点探测的数据处理主要是通过多次实测的勘探数据，消除干扰波后对实测数据进行叠加，通过系统进一步解析细化后，展示出勘探的结果。具体的数据处理流程如图1。

图1 地震波信号处理流程图

震波信息收集后，首先要对数据进行预处理，剔除无效数据，随后设置有效阈值，对数据进行进一步的过滤。然后通过静校正、速度波对比、动校正等对数据校正处理。最后通过数据叠加并通过空间混波、平滑等进行修饰处理，通过数据覆盖系统将观测的数据进行叠加分析，生成叠加剖面图。

3 超前物探方案设计和施工

（1）瞬变电磁法探测施工方案：矿井瞬变电磁法的布置是在巷道迎头处沿着巷道走向、巷道走向偏向上45°、走向偏向下30°、走向偏向下45°布设4 条测线。不断改变系统发射点和接收点的位置，每条测线设11 个观测点，每条测线上的点间距为5 m，观测点在剖面上互相平行，共计测点44 个。

（2）震波单点勘探方案：根据探测任务要求及迎头地质情况，本次采用震波单点法观测，中央进风大巷128 m 处迎头位置共布设9 个锤击点，锤击点间距为5 m，每个锤击点设置2 个检波器，即每个测点锤击一次，接收两道数据，共收集18 道数据。

矿井瞬变电磁法的勘探试验方案、数据采集流程，严格按照《瞬变电磁法技术规程》进行，并利用增大发射功率的方法增强二次场，提高探测的信噪比。震波单点测试法严格参照《浅层地震勘查技术规范》进行施工和数据采集，保证了本次试验及数据采集，保证施工质量。

4 超前物探结果综合分析

（1）中央进风大巷128 m 处瞬变电磁超前探测的4 条测线数据经过处理后，共获得实测扇形剖面4幅，选取其中掘进方向斜向上45º方向扇形剖面、掘进头顺层方向扇形剖面进行分析。

剖面图中，100 m 范围内浅色区域为低电阻率异常区，表明可能存在不良地质构造或者为富含水区，深色区域为高电阻率范围，表示为地质区域无异常的区域。

掘进头斜向上45°方向视电阻率剖面图资料探测结果如图2。

中央进风大巷128 m 处掘进头斜向上45º方向探测扇形剖面（顶板+45°）没有明显的低阻率异常区域，只有探测区域前方15～25 m，水平方向-20～20 m 处范围内，存在部分电阻率较低区域。

图2 掘进头斜向上45º仰角探测扇形剖面

掘进头顺层方向视电阻率剖面图资料的探测结果如图3。

图3 掘进头超前探测扇形剖面（顺层）

中央进风大巷128 m 处掘进头顺层方向探测扇形剖面（顺层）无明显的低阻异常区域，但在掘进头正前方10～35 m 处，水平方向-20～35 m 范围内，存在相对低电阻率区域，可能存在构造带或者含水层，需要进一步勘探验证。

（2）利用震波反演，将震波数据整理后，分析震波单点测试的结果，如图4。

图4 中央进风大巷128 m 处震波反演图

本次探测使用震波单点法，图4 中横坐标表示发射时间，纵坐标表示波的振幅，发射的地震波波速为1.8 m/ms。提取其中采集的9 组数据并择优使用，完全可以满足探测要求。结果表明，中央进风大巷128 m 处迎头无明显震波反射异常区。

本次井下物探工程采用了矿井瞬变电磁法与矿井地震法两种方法相结合进行综合物探解释，两种方法相互叠加得到叠加成果如图5。

图5 地震电法成果叠加图

瞬变电磁法与点震法均无明显异常区，但应注意瞬变电磁法迎头前方15～45 m 处，水平方向-20～35 m 存在一处电阻率相对较低的区域。

根据地质条件可知，3#煤层顶板是山西组含水层，主要为构造裂隙为主的含水层。结合物探结果推测，由于该区域裂隙比较发育，导致局部煤层顶板出现渗水现象。因此，为了保证矿方安全生产，应该对该区域提前进行探放水和注浆加固，预防水患事故发生。

5 结论

（1）为探明东大煤矿8-20 中央进风大巷内构造区和含水情况，分析了矿井瞬变电磁（TEM）和震波单点超前探测的原理，并根据实际地质条件设计了相应的探测方案。

（2）本次探测中央进风大巷128 m 处超前物探表明，掘进头前方15～45 m，水平方向-20～35 m处存在相对低电阻率区域，综合考虑矿区水文地质条件，需要在该区域提前进行排水和注浆加固，防止水患等事故产生。