瞬變電磁法在超前探測頂板富水斷層中的應用

尹彬彬

摘 要：針對掘進工作面前方隱伏導（含）水構造可能導致突水事故的問題，結合實例介紹了瞬變電磁法超前探測技術，并在某煤礦E1315工作面皮帶巷溫度異常段進行應用。測試結果表明，富水斷層與巷道頂板最小距離為45m。

關鍵詞：瞬變電磁法；富水區域；水文地質探測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.256

煤炭開采引起的開采擾動、頂板斷裂均可能導致工作面頂板產生裂隙，形成導水通道。當導水通道與上方水源（地表水、老空水、砂巖水等）溝通時，大量水涌入工作面，造成頂板突水事故。我國華北東部礦區經常面臨工作面回采時煤層頂板砂巖涌水問題，容易影響生產甚至出現安全事故。為減小頂板出水影響，回采前需要打鉆放水，但由于砂巖水的不均勻性，往往干孔較多，打鉆放水常常效果不佳。為減少鉆探工作量，增強放水效果，一般采取先用礦井瞬變電磁多方位定向探測技術查明工作面頂板采動影響范圍內相對富含水區，然后針對富水區進行打鉆放水，以保證工作面的安全回采，防治煤礦突水事故的發生。

1 地質概況

某煤礦E1315工作面北部存在F11斷層，地質構造預計較簡單。E1315皮帶巷在掘進過程中發現P5經緯儀點向上40～80米的范圍內存在溫度異常，即該段巷道內溫度明顯較低。根據相關研究[1]，當巷道出現明顯的溫度異常時，其頂板或底板巖層中一般分布有含水構造帶，如果未及時采取恰當的措施，非常容易造成突水事故的發生。因此，需要采用瞬變電磁法探測來探測該范圍內巷道周圍含水地質構造異常的具體位置，為防治水工作提供詳細的技術資料。

2 瞬變電磁法多方位定向施工技術

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），也可以稱為時間域電磁法。這種方法的原理是利用不接地回線或接地線源向特定方向發射脈沖電磁場，然后利用線框或接地電極接收由地下介質產生的二次感應電磁場的反饋信號，觀測二次渦流場的變化特征，得出異常區域的導電性能，實現定位，從而達到解決地質問題的目的[2]。在巷道掘進中，掘進迎頭前方的地質構造或富水區域及導水通道等地質異常區域往往對施工安全造成很大隱患，因此，應用瞬變電磁法進行超前探測可以提前掌握巷道前方一定范圍內的地質情況，對于保障掘進安全具有重大意義。

本文采用TERRA-TEM型瞬變電磁儀（產地：Australia）作為施工儀器實施瞬變電磁法探測。根據操作規程和巷道生產技術條件，回線裝置尺寸為2m×2m的矩形，布線方式為多匝數重疊布置。測點布置在該礦E1315工作面皮帶巷內，測點間距10m，測線長度180m。需注意巷道底板有鐵軌，巷道的頂板和兩側為金屬錨網支護。采用多方位定向探測方式[3]，即在測量過程中向巷道底板和巷道頂板兩個方向探測。因此，在探測頂板巖層時，需要將線框裝置盡可能布置在高處，最好緊挨頂板表面；在探測底板巖層時，將探測線框平行放置在底板上，如圖1所示。

3 探測結果分析

基于采集的原始數據，繪制多測道剖面圖，以便直觀、定性地反映出電性參數在橫向上的變化規律。圖2為在E1315工作面皮帶巷溫度異常段的多測道剖面圖，其中，圖2（a）探測對象為巷道底板巖層，圖2（b）探測對象為巷道頂板巖層。

根據相關經驗，當含水區等地質異常區域位于掘進迎頭正前方時，反饋信號會在晚期時間段出現異常響應，在多測道剖面圖中一般如“雙峰”狀；當含水區位于迎頭前方其它方位時，一般是指向地質異常區域探測方向的響應最強。從圖2（a）中可知，由受巷道底板上鐵軌的影響，各測點觀測道的感應電動勢值相對較高，但在橫向無變化。而在巷道頂板探測的多測道剖面圖（圖2（b））中，8～12測點之間存在異常響應，感應電動勢值變化明顯。由上述分析可知，巷道底板不存在含水地質構造，而頂板可能存在含水地質構造。

由于地下介質的非均質性，地質異常區域引起的響應區域往往大于異常區實際范圍，導致探測結果的模糊性，只能根據異常程度大體判斷地質異常區的位置，要想得出更精確的結論，需要使用專用處理軟件對巷道頂板實際觀測數據進行換算并生成TEM視電阻率曲線，繪制視電阻率等值線圖，綜合地質資料確定含水構造的類型和精確位置。E1315工作面皮帶巷TEM視電阻率曲線如圖3所示。

由圖3可知，在23～26號測點（即圖2中對應的8～12號測點）之間存在一個明顯的低阻異常區，到巷道頂板的最小距離為45m，解釋為頂板砂巖局部富含水，根據地質資料確定為F17斷層，具體位置見圖4（a）和4（b）。另外由于巷道該段附近存在一個早期的勘探孔，由地質資料可知，該孔封孔效果不良。因此推斷鉆孔和頂板局部砂巖水之間可能存在水力聯系，使巷道溫度明顯較低，經頂板打鉆放水驗證了探測結果。

4 結論

應用瞬變電磁法對某煤礦E1315工作面皮帶巷溫度異常段巷道頂板斷層富水區域進行探測，得出了富水區域的構造為斷層，位置距巷道頂板的最小距離為45m，為采取合理技術措施提供了可靠的水文地質資料，有效保障了巷道掘進安全。

參考文獻：

[1]劉樹才，岳建華，劉志新.煤礦水文物探技術與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，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]姜志海.巷道掘進工作面瞬變電磁超前探測機理與技術研究[D].中國礦業大學，2008.