封闭不良钻孔矿井瞬变电磁法超前精细探测研究

黄忠正，姜国庆，王 军，程久龙，马 智，田楚霄，辛成涛

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750011；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018)

钻探在煤炭地质勘探和水文地质勘探中发挥着巨大的作用，但由于部分钻孔未按照设计要求封孔或封孔质量不佳(称为封闭不良钻孔)，导致部分钻孔不同程度地连通含水层，形成隐蔽性较强的导水通道，且难以圈定其影响范围。因此，封闭不良钻孔容易形成突水灾害，威胁煤矿安全开采[1-2]。

封闭不良钻孔的常规探查方法主要分为钻探和地球物理探查。钻探可大致圈定封闭不良钻孔的分布范围，但其工作量大，成本高，且有可能再次引发突水危害。地球物理探查方法主要有矿井直流电法和矿井瞬变电磁法。在矿井直流电法探测方面，阮百尧等[3]提出了直流电阻率超前聚焦探测方法，通过屏蔽电极减少旁侧影响，增加勘探深度，提高超前探测效果；韩德品等[4]提出了基于几何交汇原理的七电极系探测系统，并通过层状空间影响校正、非正前方影响校正等资料处理技术，定量解释掘进巷道前方灾害性含导水地质构造；高卫富等[5]利用矿井三维直流电法获得了顶板地层电阻率三维数据体，圈定了工作面内封闭不良钻孔导水引起的低阻异常范围。矿井直流电法在煤矿水害防治中得到广泛应用，但是由于该方法存在受巷道后方及侧帮影响较大，对掘进工作面前方异常体敏感性弱等缺点，影响了其超前探测效果[6]。

瞬变电磁法对低阻体反应敏感，探测方向指向性好，施工方便高效。国内学者将小线圈应用于矿井下，并对掘进面前方异常体进行超前探测[7]。于景邨等[8]根据井下巷道实际条件，提出了多匝小线框测量装置，完善了相关理论，并成功应用于深部采场突水构造探测；程久龙等[9]对矿井瞬变电磁法超前探测进行了合成孔径成像研究，有效降低了体积效应，提高了探测精度；刘志新等[10]将矿井瞬变电磁法应用于采煤工作面内部和掘进巷道前方的水文孔位置探测及富水性评价，并总结了水文钻孔的电性响应特征；郭纯等[11]利用地下全空间瞬变电磁法对掘进面前方连续跟踪探测，表明该方法能有效预报掘进面前方富水情况；刘志新等[12]在瞬变电磁信号处理中引入小波变换技术，通过分解与重构，有效去除了晚期信号的噪声干扰，提高了信噪比；张军[13]提出矿井瞬变电磁超浅层高分辨率探测技术，通过改进硬件与软件系统，实现浅层地质体高分辨率探测。除此之外，不少学者结合钻探与地球物理技术方法的优势，利用瞬变电磁法缩小封闭不良钻孔范围，再用钻探方法进一步确定富水情况，有效避免了封闭不良钻孔导致的突水灾害[14]。姬亚东[15]利用抽水试验与示踪试验相结合的综合分析法，验证疑似封闭不良钻孔是否构成导水通道，使第四系含水层水涌入采空区 。

矿井瞬变电磁法超前探测具有对低阻体敏感，工作效率高，且距离异常体近，能提高采集数据的信噪比，从而提高解释精度等特点。宁夏双马煤矿I0104108工作面运输巷掘进过程中要通过存在封闭不良钻孔区域，且受顶板砂岩水水害威胁，为了精细探查封闭不良钻孔可能导致的相对富水影响区，确保巷道掘进过程中防治水安全，采用矿井瞬变电磁法进行掘进工作面超前探测。

1 矿井瞬变电磁法原理与方法

1.1 基本原理

矿井瞬变电磁法原理与地面瞬变电磁法基本一致，不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道中进行的，瞬变电磁场呈全空间分布，这时测量得到的瞬变响应为全空间响应。根据瞬变电磁场扩散的“烟圈”理论[16]可知，当供电电流突然断开时，早期激发产生的感应电流主要局限于巷道附近岩层中，此时观测的瞬变电磁场主要反映了距离观测点较近岩层的电性分布；晚期激发产生的感应电流向外扩散到距离巷道相对远的位置，此时观测的瞬变电磁场主要反映了距离观测点相对较远岩层的电性分布。因此，通过记录从早期到晚期瞬变电磁场的变化特征就可以得到距离观测点由近及远不同位置岩层的电性分布特征，进而对含水异常体、采空积水区、断裂构造、陷落柱、封闭不良钻孔等地质异常体进行分析和解译。

1.2 超前探测方法

由瞬变电磁场扩散的 “烟圈”理论可知，供电电流断开后，巷道围岩中产生的感应电流的扩散具有一定的方向性，其轴线方向为线框的法线方向，也就是通常认为的矿井瞬变电磁法探测方向。因此，通过灵活调整线框的指向就可以进行多方位、多角度的探测。巷道掘进工作面超前探测时，将发射线框(Tx)和接收线框(Rx)垂直放置于巷道工作面后方(图1)，转换不同角度即可探测掘进工作面前方一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断巷道掘进工作面前方是否存在含水异常体。

图1 矿井瞬变电磁法超前探测Fig.1 Advanced detection diagram of mine transient electromagnetic method

2 掘进巷道前方封闭不良钻孔瞬变电磁场特征

为研究全空间条件下巷道掘进工作面前方封闭不良钻孔瞬变电磁场响应规律，建立掘进工作面前方封闭不良钻孔三维地质−地球物理模型，如图2 所示。模型参数设置如下：煤层顶底板地层电阻率设置为50 Ω·m；封闭不良钻孔引起含水异常区电阻率设置为10 Ω·m；含水异常区半径为5 m；高度150 m(其中煤层底板上方100 m，煤层底板下方50 m)；钻孔中心距离巷道中线垂距为30 m；钻孔中心距离掘进工作面平面的垂距为50 m。采用重叠回线装置，回线法线平行于底板，从左侧帮开始，间隔10°进行数据采集，共采集19 组数据。发射电流为2 A，关断时间设定为0.02 ms，模型采用自由四面体非均匀网格自动物理场控制剖分。

图2 掘进工作面前方封闭不良钻孔三维地质−地球物理模型Fig.2 Three dimensional geological-geophysical model of badly sealed drill in front of the heading face

图3 为掘进工作面前方封闭不良钻孔数值模拟多测道图，图中0 方向为回线法线指向左侧帮；90°方向为回线法线指向正前方；180°方向为回线法线指向右侧帮；模型中含水异常区中心位于120°方向。从图3可以看出，仰角30°方向与水平方向数值模拟结果较为相似，多测道图上110°、120°和130°方向中、晚期感应电动势值明显升高，并且以120°方向感应电动势最大，从而说明封闭不良钻孔可以引起瞬变电磁场衰减变慢，实测感应电动势相应升高。数值模拟结果表明，封闭不良钻孔附近含水体在感应电动势多测道图上表现为感应电动势增强，异常特征明显。

图3 掘进工作面前方封闭不良钻孔数值模拟多测道图Fig.3 Numerical simulation multi-channel map of badly sealed drill in front of the heading face

3 基于全空间理论的矿井瞬变电磁法精细化处理

矿井瞬变电磁法工作环境为井下全空间，为了准确反映井下地质体的电性特征，必须采用建立在全空间理论之上的数据精细化处理方法。

3.1 磁场计算

瞬变电磁仪器记录的一般为感应电动势，磁感应强度垂向分量Bz需要通过对时间变化率∂Bz/∂t数值积分获得，其转换表达式为：

式中：tw1,tw2,···,twN+1分别为t1,t2,···,tN时窗中心所对应的时窗边界，下标w1,w2,···,wN,wN+1 为时窗边界编号；t为时间，s；i=1,2,···,N为时窗中心编号。

式(1)写成离散形式为：

式中：BZ(twi)为twi时刻的磁场值；BZ(twN+1)为twN+1时刻的磁场值，该磁场值可以根据观测∂Bz(t)/∂t变化趋势，采用对数域线性回归方法[17]计算得到；j为时窗中心编号，j=1,2,···,N。

3.2 全空间瞬变电磁全区视电阻率计算

均匀全空间介质中水平放置的圆形发射框中心的瞬变响应可以表示为：

式中：μ为磁导率，H/m；I为发射电流，A；a为发射线圈的半径，m；ρ为均匀全空间的电阻率，为误差函数。此时，全区视电阻率可以表示为：

其中，核函数Y'(Z)为双值函数，其函数曲线存在一个转折点(Z=1.225 处)；核函数Y(Z)为单值函数，其函数曲线单调上升。利用式(8)和式(9)，在斜阶跃校正的基础上运用二分搜索算法[18]可以分别计算实测∂Bz/∂t与Bz对应的Z值，将Z值代入式(5)则可以分别得到∂Bz/∂t与Bz定义的全区视电阻率ρDBR与ρBZR。同时计算ρDBR与ρBZR可以有效避免单纯使用感应电动势参数引起的假薄层问题，突出ρDBR参数的垂向高分辨率和ρBZR参数对地层结构反映可靠、早期阶段效果好的优势。

3.3 理论模型成像

采用上述处理方法对图2 理论模型数值模拟响应进行成像[19]。图4 为理论模型水平方向超前探测视电阻率断面图，从图4 可以看出在掘进工作面右侧帮存在一处明显的低阻异常区，低阻异常区中心电阻率在10～20 Ω·m，而围岩电阻率在50 Ω·m 左右，异常区低阻特征明显。通过与理论模型对比可以看出，低阻异常区位置与理论模型中封闭不良钻孔影响区位置完全一致。理论模型成像结果充分验证了文中基于全空间理论的矿井瞬变电磁法精细化处理方法的有效性。

图4 理论模型水平方向超前探测视电阻率断面图Fig.4 Horizontal advance detection apparent resistivity section of the theoretical model

4 工程应用

4.1 地质概况

根据水文地质资料，宁夏双马煤矿I0104108 工作面主要充水水源为直罗组砂岩含水层与2～6 煤间延安组含水层。其中，直罗组砂岩含水层平均厚度42.7 m，距I0104108 工作面26.1～69.7 m，平均55.6 m，岩性为粗粒含砾长石石英砂岩，具大型交错层理，局部地段裂隙发育，富水性为弱−中等，是工作面主要防治水对象。I0104108 工作面内部存在前期勘探所施工的地质钻孔，这些地质钻孔部分封闭不良，可能沟通至直罗组含水层，巷道在掘进过程中旁侧通过或直接揭露这些地质钻孔可能造成涌水量增大甚至发生水害事故。为了保障巷道安全掘进，采用矿井瞬变电磁法进行掘进工作面超前探测[20]，重点查明已知封闭不良钻孔M2103 附近岩层的相对富水性特征。

4.2 数据采集

数据采集使用YCS128 矿用瞬变电磁仪，重叠回线装置，线框边长2 m，发射电流3 A，关断时间6 μs，接收时窗128 个。该装置与探测目标地质体能最佳耦合，具有响应曲线形态简单、接收电平高、穿透深度大、施工灵活方便等特点。掘进工作面超前探测共进行3个方向的平面超前探测和1 个方向垂向超前探测，其中，平面超前探测方向分别为：仰角45°、仰角30°和水平方向，每个角度平面扇形均采集自左侧帮90°至右侧帮90°间隔15°的13 组数据；垂向超前采集掘进工作面正前方顶板90°至底板90°间隔15°的13 组数据。具体探测方向如图5 所示。

图5 掘进工作面超前探测方向Fig.5 Directions of advance detection in heading face

4.3 探测结果分析

采用前文所述的基于全空间理论的矿井瞬变电磁法精细化处理方法，对现场采集的数据进行处理，获得矿井瞬变电磁法超前探测扇形断面图(图6)。从图6可看出，巷道前方0～50 m 范围内岩层视电阻率整体较高，为正常地层反应，解释为岩层相对含水性极弱。已知封闭不良钻孔M2103 位于掘进工作面正前方稍微偏右位置，钻孔附近由顶板仰角45°方向到仰角30°方向均存在明显低阻异常区，低阻异常区中心大致位于钻孔附近，并且由异常中心向外视电阻率逐渐升高，根据异常位置及形态特征推断钻孔附近低阻异常区的形成与钻孔M2103 具有一定的关联性。从图6c 中可以看出，水平方向钻孔M2103 附近岩层视电阻率相对较高，不存在明显低阻异常。综合对比分析可知，钻孔M2103 附近的低阻异常在空间上主要位于巷道顶板，在巷道掘进工作面前方水平方向上异常不明显，表明其周围相对富水性没有明显增加。

图6 掘进工作面平面超前探测视电阻率断面图Fig.6 Planar advance detection apparent resistivity sections of heading face

另外，由图6 可以看出，除了上述封闭不良钻孔附近的低阻异常区外，在巷道左侧帮顶板仰角45°～0°方向及右侧帮顶板仰角30°～0°方向也存在局部低阻异常区，推断为顶板砂岩局部弱富水区。由于这些弱富水区距离掘进巷道相对较远，对巷道掘进影响不大，但是在工作面回采之前要有针对性地布置探放水工作。

图7 为掘进工作面垂向超前探测断面图，根据全空间瞬变电磁法“烟圈”理论，巷道正前方及钻孔M2103附近岩层均在有效探测范围内。从图中可以看出，掘进工作面前方0～50 m 范围内岩层视电阻率整体较高，为正常地层反映，解释为岩层相对含水性极弱。巷道掘进工作面前方仰角45°～10°方向50～110 m 范围存在明显的低阻异常区，异常形态整体呈近直立状。通过与图6 平面超前探测断面图对比可以看出，平面超前探测断面图与垂向超前探测断面图反映的低阻异常空间位置一致，即钻孔M2103 附近巷道顶板中存在垂向上近直立的低阻异常，异常平面中心大致位于钻孔M2103 附近。

图7 掘进工作面垂向超前探测视电阻率断面图Fig.7 Vertical advance detection apparent resistivity section of heading face

综合平面超前探测和垂向超前探测成果进行分析，推断封闭不良钻孔M2103 一定程度上导通了顶板直罗组含水层和延安组含水层，成为导水通道，使钻孔附近顶板岩层富水性相对增强，形成局部相对弱富水区。而在巷道前方水平方向钻孔M2103 附近岩层含水性相对较弱，以极弱富水为主。因此，推断巷道沿设计方向掘进时不会揭露该封闭不良钻孔形成的明显富水异常区，不会出现钻孔涌水情况，但是在回采过程中要对钻孔附近可能的顶板涌水量增大进行预防。

4.4 掘进工程验证情况

I0104108 工作面运输巷沿设计方向正常掘进，经过M2103 钻孔附近时，煤层基本正常，但顶板相对潮湿，未出现涌水情况，安全通过该封闭不良钻孔影响区。现场揭露情况与矿井瞬变电磁法推断解译结果吻合。

5 结 论

a.掘进工作面前方封闭不良钻孔数值模拟结果表明，封闭不良钻孔及其附近含水体在全空间瞬变电磁多测道图上表现为局部感应电动势增强，且异常特征较为明显，证明矿井瞬变电磁法对封闭不良钻孔进行探测在理论上是可行的。

b.宁夏双马煤矿掘进工作面超前探测结果表明，封闭不良钻孔M2103 具有一定导水性，导通顶板直罗组含水层及延安组含水层，使钻孔附近顶板岩层相对富水性增强，形成局部弱富水区。而在巷道前方水平方向岩层富水性则相对较弱，以极弱富水为主。因此，推断巷道沿设计方向掘进时，巷道附近受岩层富水性影响不大。但在回采过程中，要针对顶板弱富水区布置探放水钻孔，必要时进行注浆封堵，预防顶板在钻孔附近出现涌水量增大。

c.巷道掘进揭露情况与矿井瞬变电磁法推断解译结果吻合，巷道掘进中正常通过封闭不良钻孔影响区。研究结果表明，矿井瞬变电磁法可以对封闭不良钻孔的导水性进行评价，从而为制定封闭不良钻孔治理措施提供依据。