水文地質(zhì)中超前探測技術(shù)探討

■李鍇　楊慧星

（1安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院　安徽　淮南　232001；2中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)　山西　太原　030031）

水文地質(zhì)中超前探測技術(shù)探討

■李鍇1，2楊慧星2

（1安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院安徽淮南232001；2中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)山西太原030031）

為了獲得礦井采后覆巖破壞資料，為礦井采場的合理化布置及礦井防治水提供科學(xué)依據(jù)及安全保障，在工作面施工巷道中采用礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，為礦井安全生產(chǎn)管理提供有效的技術(shù)參數(shù)。

礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)水文地質(zhì)應(yīng)用

1　引言

煤礦覆巖破壞參數(shù)是礦井合理留設(shè)防水煤柱的科學(xué)依據(jù)，是保障礦井安全生產(chǎn)、提高煤炭資源回收率的前提。覆巖破壞參數(shù)受地質(zhì)、水文地質(zhì)、開采方式、工作面推進(jìn)速度、采高、工作面寬度等許多因素的影響。而地質(zhì)及水文地質(zhì)條件是影響覆巖破壞的重要因素，由于不同礦區(qū)、不同井田的地質(zhì)條件千差萬別，甚至同一井田不同煤層、不同采區(qū)、不同水平其地質(zhì)條件也存在著一定的差異，因此礦井開采設(shè)計(jì)在防水煤柱留設(shè)時不能僅以臨近礦區(qū)、臨近井田的覆巖破壞參數(shù)為依據(jù)，必須以本井田大量的實(shí)際測量值為依據(jù)。

長期以來，探測采后煤層頂、底板巖層破壞高度與深度的方法，主要采用鉆孔沖洗液簡易水文觀測分析法和鉆孔壓、注水實(shí)驗(yàn)法。它們依據(jù)沖洗液消耗量和水壓降的變化來判定導(dǎo)水裂隙帶高度等參數(shù)。由于施工探測鉆孔難度大、成本高，所獲取數(shù)據(jù)、資料在精度上不同程度地受到施工人員技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)水平等方面的制約。因此，特別需要采用更加先進(jìn)科學(xué)的探測技術(shù)與方法為生產(chǎn)服務(wù)。目前在工程技術(shù)探測方面有著廣泛的應(yīng)用前景，幾年來先后已在淮南、國投新集、皖北、淮北及河南義馬等礦業(yè)集團(tuán)完成近30個裂高鉆孔的測試任務(wù)。該方法同傳統(tǒng)的鉆探方法相比，它可查明探測區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)形態(tài)，通過在時空域中的多次對比，來獲取煤巖層在采前的賦存形態(tài)和采后的破壞形態(tài)，以及相關(guān)的其他地質(zhì)信息資料。

為了獲得礦井采后覆巖破壞資料，為礦井采場的合理化布置及礦井防治水提供科學(xué)依據(jù)及安全保障，在該工作面施工巷道中采用礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，為礦井安全生產(chǎn)管理提供有效的技術(shù)參數(shù)。

2　礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)的原理

2.1基本原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法。其探測原理是：在發(fā)送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。

瞬變電磁場在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)由于傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。

2.2探測方法

由于瞬變電磁法探測線圈法線方向?yàn)殪`敏探測方向，因此，將發(fā)射接收線圈貼近于迎頭或側(cè)幫，則探測的電阻率變化主要反映該法線方向電性參數(shù)賦存情況。對于巷道迎頭超前探測，線圈貼近迎頭，法線方向指向迎頭前方，移動距離通常為0.1~0.5m；在迎頭拐角外，可調(diào)整一定角度向迎頭側(cè)前方探測，形成扇形觀測系統(tǒng)

3　實(shí)例分析

3.1工作布置及要求

工作面風(fēng)巷迎頭掘進(jìn)到A3點(diǎn)前16m，在迎頭進(jìn)行瞬變電磁法超前探測。該方法為非接觸式探測，其線圈的法線方向即為所探測方向。因此現(xiàn)場探測較為方便快捷，利用發(fā)射和接收線圈的重疊回線裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每0.3m布置一測點(diǎn)進(jìn)行頂板、順層及底板三個方向探測，探查迎頭右側(cè)及前方電性變化情況，現(xiàn)場共布置16個點(diǎn)。

現(xiàn)場探測時對迎頭后方10m內(nèi)雜物、鐵器物件進(jìn)行了清理，并進(jìn)行了停電處理，降低對數(shù)據(jù)采集的影響。地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，巷道迎頭后方2.5m處左幫底板有少量滲水，迎頭后方3.5m及8m處頂板有滴淋水；巷道右側(cè)迎頭至后方放有鏈板機(jī)，對探測數(shù)據(jù)采集具有一定影響。

4　探測數(shù)據(jù)處理與分析

將現(xiàn)場所采集到的瞬變電磁探測二次場衰減數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)的軟件平臺處理為晚期視電阻率剖面，并以視電阻率成像圖表示，其中紅色（暖色調(diào)）為高電阻率值，藍(lán)綠色（冷色調(diào)）為低電阻率值，由冷色向暖色逐漸過渡。

數(shù)據(jù)處理與分析過程總體包括：三方向數(shù)據(jù)拆分-坐標(biāo)系建立-數(shù)據(jù)預(yù)處理與校正-視電阻率計(jì)算-視電阻率成像-現(xiàn)有地質(zhì)水文資料整理-圖文地質(zhì)資料綜合對照分析-視電阻率異常標(biāo)準(zhǔn)確定-定性與半定量地質(zhì)解釋-異常區(qū)域圈定。

圖1　風(fēng)巷瞬變電磁超前探測視電阻率剖面順層剖面

附圖1為三方向視電阻率分布圖，三幅剖面分別表示巷道迎頭前方頂板方向、順層方向及底板方向巖煤層視電阻率分布情況。從剖面中可看出本次探測視電阻率值總體較高，分布在0~60范圍內(nèi)。根據(jù)測區(qū)內(nèi)煤巖體地質(zhì)特征及以往探測經(jīng)驗(yàn)將低于10區(qū)域解釋為低阻異常區(qū)。由瞬變電磁探測特點(diǎn)存在10m左右的探測盲區(qū)。

（1）頂板視電阻率剖面：主要反應(yīng)了頂板方向巖體電性變化情況。可以看出巷道迎頭前方10~50m范圍視電阻率明顯大于50~100m段，且在巷道前方頂板右側(cè)存在一處明顯低阻異常區(qū)。從頂板地質(zhì)條件分析，巷道頂部為較厚的中粒砂巖層位，裂隙較發(fā)育，因此可推斷在該低阻異常區(qū)砂巖富水性增強(qiáng)，存在一定淋水現(xiàn)象。

（2）底板視電阻率剖面：主要反映斜向底板方向的剩余煤層及底板巖層電性變化。可見在10~70m段高阻值分布較廣，在70~100m段僅存在零星低阻值，無明顯范圍較大的低阻異常區(qū)。從地質(zhì)條件分析，由于煤層傾斜使得勘探體積內(nèi)受煤層影響較大，且底板為砂質(zhì)泥巖，因此推斷在探測范圍內(nèi)底板富水性較差。

（3）順層視電阻率剖面：主要反映了迎頭前方電性變化，可見順層剖面的分布特點(diǎn)與頂板剖面類似，即在10~50m范圍阻值要明顯高過50~100m段。不同的是順層剖面右側(cè)阻值較低。在該剖面中圈定兩處低阻異常區(qū)，分別編號為YC2和YC3。YC2位于巷道左前方70m處，YC3于巷道右側(cè)40m外。從地質(zhì)條件分析，推斷兩處異常由巖性變化或富水性變化所引起。

[1]張戢.坑道無線電波透視法在探測井下陷落柱中的應(yīng)用 [J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006.16(19).

[2]趙益晨.無線電坑道透視技術(shù)在高陽礦的應(yīng)用效果 [J]。煤礦現(xiàn)代化，2005， (03).

P641.72[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-120-1