基于瞬變電磁超前探測原理的煤巷掘進探測水害工程實踐

摘 要：基于瞬變電磁超前探測技術應用于掘進煤巷水害探測的原理，結合瞬變電磁法探測水害在現場探測結果，分析煤巷在掘進中的問題并提出建議，為巷道安全掘進提供了技術支持。

關鍵詞：瞬變電磁超前探測；煤巷；安全掘進

引言

我國煤礦水文地質條件復雜，隨著近年煤炭工業的迅速發展，煤礦安全生產中遇到的水害問題更加突出，如積水采空區、地下富水帶與巖溶溶洞等。礦井水害威脅已經成為制約我國煤礦安全生產的重大隱患[1]，對這類問題的精細探測是工程地球物理的難題之一，而瞬變電磁法對低電阻率地質目標體反應較為敏感，是探測水害、保障礦井安全生產有效途徑。

1 瞬變電磁技術

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method）又稱時間域電磁法（Time Domain ElectromagneticMethod），簡稱TEM 或TDEM，是建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法。具體到瞬變電磁法在掘進巷道水害探測中的應用，其基本工作方法是：于井下巷道內設置一定電流的發射線圈，從而在其周圍空間產生一次電磁場，并在巷道周圍導電巖礦體中產生感應電流，斷電后，感應電流由于損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征[2-4]。原理圖如圖1所示。

2 工程地質條件

2.1 地質條件

該礦15#煤層15101工作面（根據掘進資料）最大厚度4.2m，最小厚度3.5m，平均煤厚3.85m；煤層傾角除700～900m處最大坡度達13°外其余平均1°～3°，煤層賦存穩定，結構簡單。煤層走向北偏東10～20°，傾向東偏南10°～20°。15101工作面運輸順槽（151011）距集中回風大巷700～900m段和回風順槽（151021）703～792m段煤巖層賦存較復雜，煤巖傾角由1°～3°變為10°～13°，工作面其它地段煤層賦存穩定，傾角平均1°～3°，無其它地質構造。煤層老頂為K2灰巖：厚度為5.75～8.39m，平均厚度6.87m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑，方解石，致密堅硬；直接頂為泥巖，厚度為0.6～2.0m：黑色、質地較密；偽頂為炭質泥巖：厚度0.05～0.2m，黑色，質地松軟，隨采隨落；底板為泥巖及黃鐵礦泥巖：平均厚度12.88m，黑色，含黃鐵礦，有黃金色碎屑。

2.2 儀器的選擇

本次瞬變電磁勘探采用加拿大GEONICS公司生產的最新式PROTEM +TEM-47（增強型）瞬變電磁儀，儀器探測精度高，盲區小，抗干擾能力強，主要技術參數表1：

2.3 工作方法及工作量

采用偶極裝置方式進行觀測，發射線圈和接收線圈平面始終平行，兩線圈軸線指向探測方向，如圖2。掘進頭超前探測時，分別按不同角度朝多個方向進行探測并準確控制探測方位，以獲得掘進頭前方盡可能完整的水文地質信息。

151011和151021兩個掘進頭超前探測時均以水平方向為基準0°，分別朝上偏20°、掘進頭正前方（近水平方向）、下偏20°和下偏45°以及左偏30°、右偏30°等多個方向進行，各完成6個物理點，共計12個物理點。質量要求按有關標準和規范執行。

2.4 資料處理及解釋

瞬變電磁資料處理采用世界上最新開發成功的全空間瞬變電磁數據處理軟件GOTEM。資料處理過程簡略為：每條巷道探測的原始二次渦流磁場值數據由接收機自動傳入計算機后，在GOTEM中按順序通過多種校正和特殊變換，再經過正、反演計算，求出地層的視電阻率值并把時間轉換為距離，然后根據得到的全空間視電阻率值，結合探測距離、探測方向、地層傾角等多種物探、地質因素，采用專用高分辨電阻率成像方法，即得到瞬變電磁勘探視電阻率斷面圖。

資料解釋主要任務是根據瞬變電磁勘探視電阻率斷面圖，觀測地層相對高、低阻電性分布情況，結合區域水文地質資料，判斷探測范圍內巖層的賦、導水性及其分布情況等，為巷道安全掘進、避免嚴重水害事故的發生提供參考依據。

視電阻率斷面圖內等值線數值為巖層視電阻率值，此值越小（對應顏色越蘭）表示此處巖層可能較為破碎、裂隙發育或相對富水性越好。

3 物探結論及建議

3.1 物探結論

本次瞬變電磁勘探盲區約為15m。以視電阻率值小于3的區域（①區域）為相對低阻異常區，②區域為過渡區域。

由該礦151011巷道掘進頭瞬變電磁超前探測視電阻率斷面圖看出：151011掘進頭超前探測時，沿橫向切片探測范圍內掘進頭前方均為相對高阻區，巖層賦水性較弱。沿縱向切片掘進頭正前方32～36m段、巷道頂板6～10m區域和正前方66～73m段、巷道頂板8～13m區域以及正前方80～89m段、巷道頂板5～14m區域為相對低阻異常區，可能系巖層破碎、裂隙發育或相對富水引起。三個低阻區均范圍較小、分布孤立，視電阻率值均大于2，不是太低，說明巖層整體賦水性不強，巷道掘進到對應區域時可能出現稍明顯頂板滴、淋水，但水量有限，對巷道安全掘進影響較小。探測范圍內掘進頭前方其它區域均顯示為相對高阻，巖層賦水性較弱。

該礦151021巷道掘進頭瞬變電磁超前探測視電阻率斷面圖看出：151021掘進頭超前探測時，沿橫向切片探測范圍內掘進頭前方均為相對高阻區，巖層賦水性較弱。沿縱向切片掘進頭正前方25～34m段、巷道頂板7～12m區域和正前方66～74m段、巷道頂板6～13m區域為相對低阻異常區，可能系巖層破碎、裂隙發育或相對富水引起。兩個低阻區均范圍較小、分布孤立，視電阻率值均大于2，不是太低，說明巖層整體賦水性不強，巷道掘進到對應區域時可能出現稍明顯頂板滴、淋水，但水量有限，對巷道安全掘進影響較小。探測范圍內掘進頭前方其它區域均顯示為相對高阻，巖層賦水性較弱。

3.2 建議

3.2.1 151011和151021兩個巷道繼續掘進時應加強水情觀測，提前制定好相應防治水計劃和措施，嚴格遵守《煤礦安全規程》和《煤礦防治水規定》，疏通排水線路，保障排水能力，確保安全生產。

3.2.2 兩個巷道繼續掘進80m時進行下次物探，保留足夠超前距。

參考文獻

[1]虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[2]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.

[3]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南工業大學出版社，1992.

[4]蔣邦遠.實用近區磁源瞬變電磁法勘探[M].北京：地質出版社，1998.