三维瞬变电磁法在采煤工作面底板注浆加固效果评价中的应用研究

韩云春，赵宏达，余国峰，黄 刚，罗 勇

（1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽淮南；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥；3.深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室，安徽淮南；4.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽淮南）

当前，矿井开采深度不断加深，导致涌水灾害威胁不断增加。为确保工作面的安全回采和提高煤层开采上限，精准探测底板异常区成为一项至关重要的任务。其中，核心挑战是加强对工作面覆岩底板破坏规律的研究，并准确判断导水裂隙带的位置。近来，利用先进的瞬变电磁法获取煤岩底板赋水性变化信息已经取得令人瞩目的成果。相较于其他方法，瞬变电磁法在侦测含水结构、富水区等低电阻异常区域方面具有明显优势，有效地支持工作面的水文勘测和巷道预探。因此瞬变电磁法在煤层开采中的应用能够提供关键的数据支持，指导煤矿实施安全生产和有效的防治水工作[1]。

瞬变电磁法作为一种以岩石导电性差异不同进行探测的地球物理电磁感应方法，对地质结构探测反应较为准确，在矿井探测领域应用广泛。周官群等[2]分析了金属干扰对TEM数据的影响，通过在有和没有金属干扰的情况下都进行了水槽模型实验，表明这种干扰会显著影响TEM测量并导致错误异常。实际应用进一步证明，该方法可以有效减少隧道内支架和其他金属工具引入的低电阻率干扰；于景邨等[3]研究出应用于井下探测巷道周围空间不同位置、不同形态突水构造瞬变电磁探测装置、探查技术及资料处理和解释方法。采用矿井瞬变电磁法在多个矿井探测深部采场突水构造进行了实际应用，通过井下注浆或疏放降压钻孔验证, 证明瞬变电磁法探查深部采场突水构造位置是非常有效的；岳建华等[4]认为张量电阻率测量是掌握和认识电各向异性特征的重要方法途径, 煤矿井下具有开展张量电阻率测量的独特优势。李志旋[5]等采用矢量有限元法实现了三维电磁扩散场数值模拟,并成功将其应用在大地电磁的正演研究中；程久龙[6]等研究表明感应电动势、采样时间、视电阻率、探测距离和对数坐标下的感应电动势衰减速率可作为岩层富水性预测所用特征，LBA-BP 方法结合相应特征可以实现岩层富水性定量预测，提高了矿井瞬变电磁法对岩层富水性的解释精度；胡雄武等[7]提出视电阻率全方位探测方法，表明在全方位视电阻率反演过程中，单巷测深数据与双巷透视数据之间能够相互约束,促使低电阻率球状模型的准确归位，体现了全方位视电阻率探测方法的优越性。

本次根据矿方需求和现有工作面条件，将进行针对底板的瞬变电磁探测，主要为了验证注浆钻孔的效果。以某煤矿7401 工作面为研究区域，通过瞬变电磁法对水文地质情况的探测，综合以往的数据分析赋水体状况，判断注浆前后低阻区异常情况。

1 方法简介

1.1 方法原理

三维瞬变电磁法是地球物理勘探技术的一种，通过施加瞬时电磁场，测量地下介质中的电阻率变化，从而获得关于地下结构和矿产的信息。该方法基于Maxwell 方程，通过求解泊松方程和拉普拉斯方程，得到地下介质的电导率分布。其基本原理与瞬变电磁法原理类似，在地面布置一组发射线圈，通过向地下发射脉冲电磁场，使得地下介质中的自由电荷发生运动，产生涡流（见图1）。这些涡流在地下介质中传播，当它们到达接收线圈时，被接收线圈测量到，从而可以反演出地下介质的电导率分布情况(见图2)。

图1 半空间中的等效感应电流图

图2 瞬变电磁法原理图

1.2 数据处理

在三维瞬变电磁数据处理中，选取MTEM（Multi-transient Electromagnetic）系统作为数据处理软件。数据处理在从测量数据中提取有意义的信息和解释地下地质方面起着至关重要的作用。它涉及数据校正、反演、二次处理和解释，从而全面了解地下结构和储量。

2 应用实例分析

2.1 工作面地质概况

选取的某煤矿7401 工作面位于采煤区的东南方向，煤层从东部延伸至西11 采区三条上山。工作面地势平均在105 m 左右，井下深度在627.9～495 m，地面上无房屋、公路等基础设施，但存在农田等耕作地，采煤时可能对上部地面造成塌陷、陷落等地质灾害。此次工作面回采煤为二1 煤层，其煤层厚度约为5.8 m；煤层倾角平均为27°左右；采煤工作面上顺槽长度为794 m（平距），其工作面下顺槽长度为781 m（平距）；采煤区可采煤116 760 m2，地质储量108 万吨。

2.2 现场工程布置

现场探测工作主要是对工作面底板注浆加固前后进行瞬变电磁数据的采集，并且两次布置探测点位置相同。瞬变电磁现场分别在上顺槽和下顺槽依次布置探测点，上顺槽从E4 测点开始探测，于上顺槽与切眼交口处结束；下顺槽探测起点位于下顺槽与切眼交口处，探测终点位于C 测点（L 测点向切眼方向45.8 m）处。上顺槽和下顺槽测线均为10 m 左右一个探测点。上顺槽和下顺槽测点探测9 个方向，上顺槽和下顺槽的探测方向分别为内帮底板15°、内帮底板30°、内帮底板45°、内帮底板60°、内帮底板75°、底板90°、外帮底板75°、外帮底板60°、外帮底板45°（见图3 所示）。

图3 上顺槽和下顺槽探测方向示意图

2.3 注浆前后探测结果

根据瞬变电磁探测结果，进行钻孔注浆前存在4个相对低阻异常区，为SY1～SY4 异常区。如图4 所示，SY1：靠近下顺槽，延伸深度为底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰岩层位，局部富含岩溶裂隙水；SY2：靠近下顺槽，向面内延伸约58 m。延伸深度为底板向下30～40 m，位于底板石炭系太原群灰岩层位，为局部富含岩溶裂隙水；SY3：靠近下顺槽，延伸深度为底板向下20 m 附近，位于底板石炭系太原群灰岩层位，局部富水区；SY4：靠近下平巷，位于L10 点附近，延伸深度为底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰岩层位，局部富含岩溶裂隙水。

图4 注浆前底板三维瞬变电磁立体图

经过钻孔注浆后，对比分析以往瞬变电磁探测结果，存在2 个相对低阻异常区，定义为SY1、SY2 异常区。如图5 所示，SY1：靠近工作面下顺槽，L9 测点附近，煤层底板下方20～40 m 层位附近。位于底板石炭系太原群上段灰岩层位，局部富含岩溶裂隙水；SY2：靠近工作面下顺槽，L10 测点之间，工作面外煤层底板下方20～40 m 层位。主要位于底板石炭系太原群上段灰岩层位，局部富含岩溶裂隙水。

图5 注浆后底板三维瞬变电磁立体图

2.4 对比验证分析

结合前期的地质水文特征，对比验证钻孔注浆前后的工作面底板异常区情况，利用MTEM对探测数据进行处理，得到钻孔注浆前后三维瞬变电磁立体图。注浆前进行的工作面瞬变电磁底板异常区探测，共出现四个低阻异常区，结合地质水文资料进行分析，底板向下延伸20～60 m 附近，局部富含岩溶裂隙水；钻孔注浆后对工作面瞬变电磁底板异常区探测得出，底板加固后0～70 m 深度范围内整体视电阻率值较高，只存在2 个相对低阻异常区，位于底板石炭系太原群上段灰岩层位，分析为局部富含少量岩溶裂隙水。

综合钻探验证前后的底板瞬变电磁探查，发现工作面钻孔注浆前，底板出现四个低阻异常区且位于底板向下20～60 m 附近，通过绘制出的三维瞬变电磁立体图，判断低阻区比较明显，可能发生突水危险，需要进行钻探验证。经过工作面钻孔注浆后，综合地质情况，底板只出现两个低阻异常区，分布于底板向下20～40 m 附近，通过三维瞬变电磁立体图，分析可得低阻区域发育不明显，突水危险性较低，不影响回采。

3 结论

（1） 此次利用两次三维瞬变电磁探测，首先对7401 工作面进行初探，在底板改造前圈定富水异常区范围，为钻探施工提供标靶，完成注浆改造后，再利用三维瞬变电磁验证注浆改造效果，保障工作面安全回采。（2） 本文采用对比验证的方式，利用瞬变电磁探查低阻水性强的特性发现异常区，通过钻探验证异常后进行钻孔注浆加固，证明瞬变电磁法对于工作面底板富水区情况探测的可行性，为提前预防突水等灾害的发生提供依据。