礦井災害預防的關鍵技術及應用

沈福斌，周子鵬，古 瑤，耿 清

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

我國的礦井水文地質條件是世界上最復雜的國家之一，水害一直困擾著煤礦的生產。尤其是在煤層厚度較大的礦井，隨著導水裂隙帶增高，受水害的威脅越大，甚至還有大量的煤炭資源由于煤層上部水害及構造的發育而不能及時開發利用，長期形成滯留儲量，故提前做好礦井水體、構造的探測是礦井災害預防的關鍵技術，必須加以重視。

1 水文探測的工作原理及裝置

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法(TEM)觀測的是二次場，可在近區進行觀測(采用重疊回線裝置)，屬于全空間效應的勘探方法。其原理是利用不接地回線在井下巷道內設置通以一定電流的發射線圈，并在其周圍空間產生穩定的一次電磁場。當電流突然斷開時，由該電流產生的磁場也立即消失，為維持電流斷開之前存在的磁場，巖層中被激發出感應電流，產生相應的感應磁場。發射電流斷開的瞬間，最初激發的感應電流集中于巷道附近巖層中，隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流逐漸向外擴散，其強度逐漸減弱。在斷開發射電流的任一時刻，感應電流在巷道內產生的磁場，可以等效為一個水平環狀的電流磁場，這些等效電流環像從發射回線“吹”出來的一系列煙圈，因此將巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖1所示。

圖1 “煙圈效應”示意圖

瞬變電磁勘探有多種工作裝置，常用的有偶極-偶極裝置、大定回線源裝置、同點裝置，由于同點工作裝置具有定向性好，具有測深測量和剖面測量的雙重工效及占地面積小等優點，適合于井下全方位探測，且探測距離大、分辨率高、施工快捷，故選擇同點工作裝置的重疊回線形式工作。

1.2 無線電磁波透視法

無線電磁波透視法也稱坑透法，電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性不同，對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構造所出現的界面時，電磁波將在界面上產生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構造時，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區煤層、各種構造及地質體對電磁波的影響所造成的無線電波透視異常，從而進行地質推斷和解釋，如圖2所示。

圖2 無線電波透視探測原理示意圖

2 數據采集、資料處理及解釋

2.1 礦井瞬變電磁法數據采集

儀器：礦井瞬變電磁法采用國產YCS111礦用本安型瞬變電磁儀，該該儀器具有抗干擾、輕便、防水、防塵和自動化程度高等特點。

施工參數：采用2 m×2 m正方形回線，發射回線40匝，接收回線60匝，疊加次數為64次。

數據采集：工作面頂板探測時，按照與巷道頂板方向不同夾角進行探測，以改變線框水平夾角實現對巷道頂板砂巖含水性的探測，如圖3(a)、(b)、(c)所示，點距一般為10 m最合適。

2.2 無線電磁波透視法數據采集

儀器：無線電磁波透視法采用WKT-E型無線電波坑道透視儀，發射機和接收機為礦用本質安全型。

施工參數：發射頻點可選用0.088 MHz、0.158 MHz、0.288 MHz及0.396 5 MHz。頻率越小，穿透力越強，探測距離越大，反之，穿透力越弱，探測距離越小。當工作面>200 m時，一般采用0.088 MHz發射，當工作面>150～200 m時，一般采用0.158 MHz發射。

數據采集：無線電波透視法一般在兩巷道間進行，如在回風巷布置發射點，向煤層中發射某一頻率電磁波，在機巷安置接收機觀測電磁場場強H信號。發射機相對固定于某巷道事先確定好的發射點上，接收機在相鄰巷道一定范圍內逐點沿巷道觀測場強值。一般發射點距50 m，接收點距10 m。每一發射點，接收機可相應觀測11～20個點，如圖4所示。

2.3 礦井瞬變電磁法資料處理

處理流程：TEM資料處理工作流程如圖5所示。

a-與巷道頂板方向垂直；b-與巷道頂板方向30°;c-與巷道頂板方向60°圖3 頂板探測方向示意圖

圖4 無線電磁波透視法發射與接收范圍示意圖

圖5 瞬變電磁法資料處理流程圖

曲線圓滑：主要是利用小波變換對曲線進行圓滑處理。

視電阻率計算：利用編輯矯正后的數據計算得到其視電阻率值。

視深度計算：利用前面模塊的計算結果，計算得到相應的視深度值。

自動繪圖：自動鏈接內嵌的繪圖軟件，繪制視電阻率等值線圖。

2.4 無線電磁波透視法資料處理

采用的技術：無線電波透視法數據處理采用CT層析成像技術，其充分利用電磁波在媒質傳播中的信息，利用高精度反演吸收衰減系數，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強了異常的識別能力。

吸收系數值計算：利用SIRT算法(同時迭代重構技術)，根據矩陣方程計算各像元吸收系數值，從而實現工作面成像區內吸收系數成像。利用計算結果可以繪制成像區吸收系數等值線圖和色譜圖。

場強值的提取：對每個接收段接收多個背景值，取其平均值作為該段的背景值。對于各接收點的實測總場強值，減去背景值便為各接收點場強值，利用場強值繪制層析成像圖。

2.5 資料解釋

無線電磁波透視法：巷道揭露有沖刷、裂隙發育的情況下與斷層相似，場強衰減逐漸增大，吸收系數逐漸增大，接收場強值逐漸變小，曲線變緩陡，出現“拐點”或“突變點”。在CT層析成像圖上，沖刷帶引起的異常范圍一般呈寬緩的“條帶”狀，曲線不閉合，吸收系數值逐漸變大；當工作面內出現基巖時，其異常曲線應為“U”字型，在CT層析成像圖上，異常范圍一般呈寬緩閉合的“圓形或橢圓形”狀，曲線閉合，吸收系數值逐漸增大；在工作面內煤層傾角由緩傾斜變為傾斜或急傾斜及其過渡地段(或稱扭曲段)，可以造成明顯的透視屏蔽，吸收系數值增大。

3 綜合應用

3.1 礦井瞬變電磁在工作面頂板水探測

工作面2-2煤層頂板巖層富水探測成果如圖6所示。

圖6 工作面內2-2煤層頂板上90 m(上)、60 m(中)、30 m(下)巖層富水探測成果圖

從圖中可以看出，煤層頂板上30～70 m之間，0#～30#點(即距停采線1 300～1 600 m)附近，富水異常區規模較大，其含水性較好，存在聯通；煤層頂板上90 m，0#～11#點(即距停采線1 490～1 600 m)附近，富水異常區規模相對較小，煤層頂板上30～50 m之間，85#～105#點(即距停采線550～750 m)附近，巖層含水性較好，可能存在聯通。

3.2 無線電磁波透視法在工作面內隱伏構造探測

工作面內隱伏構造探測成果如圖7所示。圖7中場強及吸收系數影像圖中均在相同位置出現兩處異常，分別為1號異常和2號異常。其中1號異常為寬約1 m的基巖穿刺引起；2號異常為21303工作面延伸巷及其巷內積水現引起，且在21303工作面延伸巷的左側存在少量的裂隙發育。說明無線電磁波透視法反映成果與實際揭露情況相符。

圖7 工作面場強(上)及吸收系數(下)影像圖

4 結語

采用礦井瞬變電磁法，對老巷道積水、斷層的含導水及對工作面頂板巖層富水進行探測。并利用數理統計結果，結合已知地質資料及相鄰工作面解釋經驗，進行綜合解釋，成果可靠，效果明顯。結論表明，礦井瞬變電磁法為煤礦井下水文探測最理想、有效的物探方法之一；無線電磁波透視法對探測工作面內隱伏構造效果明顯。2種探測方法可為煤礦安全生產提供技術支持。