電磁波透視與瞬變電磁在回采面中的聯合應用

韓文武

(陽泰集團實業有限公司，山西 晉城 048100)

0 引言

水害作為煤礦五大災害之一，一直以來阻礙著煤礦的安全生產[1]。尤其是近年來，隨著煤礦開采深度的加深，煤層開采過程中不僅面臨著底板奧灰水的突水危險，同時受頂板上部水害的威脅而日益嚴重[2]。因此，在巷道掘進和工作面回采前查明煤層及頂底板含水條件，對于安全生產至關重要。目前，對于煤礦水害的探查，主要依賴直流電法、高密度電法和瞬變電磁技術等電磁法類物探方法[3]。電磁法類物探技術對于富水體的低阻特征響應明顯，可有效劃分含水區域，尤其是瞬變電磁法憑借其方便、快捷的特點，廣泛應用于井下采空區積水、底板突水區、頂板裂隙含水區及其它含水地層的探測[4]。但是對于含水區域與構造因素的關聯系不能直接的識別，僅依賴于地質分析。而電磁波透視可識別工作面內部斷層、陷落柱、夾矸、煤層變薄帶、瓦斯富集區等地質異常體的分布特征[5]。因此，可綜合利用電磁波透視和瞬變電磁2種物探技術以探查煤層內部、頂板構造及頂板含水區域。即先期利用電磁波透視以查明工作面內部的構造分布情況，再利用瞬變電磁以查明這些構造在煤層及頂底板方向的含水性。基于此思路，在山西西馮街煤礦某工作面開展了應用試驗，以探討其應用的可能性，從而推廣應用至煤礦生產一線。

1 電磁波透視與瞬變電磁基本原理

1.1 電磁波透視基本原理

電磁波透視技術，又稱無線電波透視，其利用電磁波在煤礦傳播中的衰減分布情況來識別煤層中的構造異常分布情況。即電磁波在煤層傳播過程中遇到斷層、陷落柱、夾矸、煤層變薄帶和瓦斯富集區等異常地質體時，受反射、折射及吸收作用，其場強強度出現衰減，如圖1所示，特定頻率下的接收電場場強為[5-6]

圖1 電磁波透視原理示意

(1)

式中，H—接收場強值；H0—發射場強值；β—電磁波衰減系數；r—發射-接收長度；θ—接收點相對發射點偏移角。其中，電磁波衰減系數β因地質體差異性而不同，根據接收場強值即可反演出電磁波衰減情況，即衰減成像，根據衰減成像圖以及接收衰減曲線可判定異常的分布范圍和類型。

1.2 瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法也是一種電磁法物探技術，其利用發射天線向探測目標前方發射瞬間一次電場，在關斷電流的瞬間產生一個磁場，一次磁場遇到前方地質體產生感應二次電場，利用接收天線，接收該感應二次電場，通過接收不同時刻的感應二次電場即得到二次場隨時間的衰減曲線。根據衰減曲線可反演得到探測前方的視電阻率分布情況。不同的地質體，其感應有所差異，呈現為不同的衰減特征，均勻介質其衰減曲線為一斜直線，高阻體為下凹趨勢，低阻體為上凸趨勢[7]，如圖2所示。

圖2 瞬變電磁原理示意

瞬變電磁在煤礦井下屬于全空間場域，即全空間響應，則全空間反演的視電阻率為[8-10]

(2)

式中，C—全空間響應系數；μ0—磁導率；t—二次場衰減時間；N—線圈匝數；V/I—歸一化二次場電位值；S—接收回線線圈面積。

2 應用實例

2.1 地質概況

工作面概況：本次試驗工作面位于山西西馮街煤礦3號煤層四盤區，切眼至停采線走向長720 m左右，傾向長200 m。主采煤層為3號煤層，煤層厚5.93～6.73 m，平均厚6.22 m。含0～2層夾矸，矸厚0.02～0.75 m。煤層結構簡單，平均傾角為3°。直接頂板多為粉砂巖、泥巖，均厚1.5 m，直接頂下常有0.10～0.20 m的炭質泥巖或灰色泥巖偽頂，老頂為灰色細粒砂巖；底板為砂質泥巖、粉砂巖，均厚1.35 m。工作面雙巷掘進過程中，揭露頂底板巖層均較軟弱，且節理較為發育，局部揭露小斷層發育，未見陷落柱。已探明斷層有5條，進風巷掘進揭露F1∠58°H=1.3 m、F2∠55°H=0.7 m、F3∠60°H=1.7 m、F4∠50°H=26 m共4條斷層，運輸巷掘進揭露F5∠83°H=1.8 m。

主要含水層：煤層上覆存在第四系松散沉積物孔隙含水層，二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組，二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層組。未見采空區積水，兩巷道局部存在頂板滴水現場。其礦井充水水源主要為大氣降水、地表水和煤層上覆含水層裂隙水。導水通道有斷裂帶、裂隙等天然通道，也有采煤后形成的冒落帶和導水裂隙帶等人為通道，還包括在水壓力作用下突破煤巖層隔水層所形成的導水通道等。可見，該工作面水害主要以頂板裂隙水為主。

2.2 電磁波透視試驗

定點掃描：根據工作面具體情況，采取定點掃描法，即將發射機工作面一側巷道相對固定，接收機在另一對應巷道一定范圍內逐點接收其場強值的一種工作方法。測點間距為10 m，發射點間距為50 m，每個發射點對應11個接收測量點。其中進風巷長720 m，布置23個發射點、73個接收點，停采線位置為0號點；運輸巷長750 m，布置23個發射點、76個接收點，停采線位置為0號點。

數據處理：采集的電磁波透視數據經過室內數據處理，得到電磁波衰減系數層析成像成果圖，如圖3所示。整個工作面總體上電磁波衰減系數β在0.32～0.43范圍之間。結合已揭露地質資料和探測成果，將衰減系數在0.40～0.43范圍定義為相對衰減區，其他為相對正常區域。為突出衰減區域，特將相對正常區域顏色去掉留白，黑色區域即為相對衰減區域，且顏色越黑衰減越嚴重。

圖3 電磁波透視成果

斷層分析：整個工作面共劃分出4個電磁波相對衰減區，自切眼向停采線方向分別定義為K1、K2、K3和K4。其中K1區域在巷道掘進過程中揭露一斷距1.8 m的小斷層F5，即該區域為斷層發育區域。K2、K3區域巷道均未見其它地質異常揭露，根據其長條形分布，推測K2為小斷層或裂隙發育，K3區域衰減嚴重、范圍大，推測其斷距相對較大，對回采影響相對偏大。K4區域巷道揭露了K1、K2這2條1.3 m和0.7 m的小斷層F1、F2，即該區域為斷層發育區域。

2.3 瞬變電磁試驗

測點布置：根據回采工作面煤層傾角較小的條件，近似水平狀態，為探測工作面煤層內部及頂板巖層含水條件，并兼顧底板含水條件。在進風巷、運輸巷均設計了底板30°、水平0°、頂板向上30°、頂板向上45°、頂板60°、頂板90°，每個測點共計6個方向，如圖4所示。為更好的結合電磁波透視結果進行后期綜合分析，測點間距和電磁波透視保持一致，即進風巷73個測點、438個物理點，運輸巷76個測點、456個物理點，共計149個測點、894個物理點。

圖4 瞬變電磁探測方向示意

繪制視電阻率剖面圖：瞬變電磁數據經處理后得到12張不同探測方向的視電阻率剖面圖。12個不同方向的視電阻率數據可抽取底板-20 m、煤層、頂板+20 m、頂板+40 m、頂板+60 m和頂板+80 m等不同深度的視電阻率分布切片。運輸巷頂板30°和頂板20 m深度切片的視電阻率分布圖分別如圖5、6所示。

圖5 回采工作面運輸巷向上30°方向視電阻率剖面

瞬變電磁解釋：在瞬變電磁解釋時，以“水文地質研究與物探資料解釋相結合，定性解釋與定量解釋相結合”的基本原則，采用綜合處理與解釋互動，減少多解性，提高解釋可靠性。同時，排除受關斷效應和近場區的影響，根據視電阻率值相對高低，來判定地層的含水性。通過2條巷道各自6個探測方向的視電阻率剖面圖的橫向對比分析，參考以往探測經驗確定劃分水文異常的視電阻率閾值。閾值的確定應參考圍巖背景值以及電阻率與含水率的關系等因素，需要綜合考慮到異常區的范圍大小、視電阻率大小、水文地質條件等因素。綜合各種因素，把視電阻率值低于35 Ω·m判定為瞬變異常區，作為重點防治水區域。

圖6 回采工作面頂板+20 m視電阻率切片

斷層分析：根據各方向視電阻率斷面圖及工作面頂底板不同深度視電阻率切片，結合地質條件及現場巷道實際情況綜合分析可知回采工作面煤層及頂板含水性。各探測方向整體上看視電阻率值相對偏高，低視電阻率分布不明顯，局部數據離散，探測范圍內煤巖體富水性相對較弱。整個工作面共識別4處視電阻率值低阻異常區，自切眼向停采線方向分別定義為Y1、Y2、Y3和Y4，如圖7所示。其中，Y1受切眼處回采機械設備干擾而產生的低阻異常體，且未見電磁波透視衰減，則分析其含水可能性較小。Y2處有小斷層F5揭露，電磁波透視也存在衰減現場，對應電磁波衰減區K2，故推測該區域應存在小斷層或裂隙帶，且存在一定的富水性。Y3同Y2相似，雖巷道未揭露異常地質體，但存在電磁波強衰減區K3，故推測該區域應存在導水斷層，在回采過程中需要重點關注。Y4處揭露2條小斷層且與電磁波衰減區K4一致，巷道頂板存在滴水現場，因此推測其為上覆地層在斷層處的滲流水，但巷道已掘進揭露該斷層，故分析其突水威脅性不大。此外，電磁波衰減區K1未見瞬變電磁異常，故分析該處揭露的斷層不導水。

圖7 回采工作面瞬變電磁探測成果

2.4 鉆孔探查

為進一步驗證電磁波透視和瞬變電磁的探測結果，針對Y1、K1、Y2(K2)、Y3(K3)、Y4(K4)5處異常進行鉆探，以查明地質和水文條件。Y1在運輸巷71號點處垂直工作面、30°傾角的鉆孔，鉆進50 m未見涌水，與探測結果一致，屬于設備干擾的低阻異常。K1在運輸巷66號點處垂直工作面、水平鉆進30 m未見流水，但見矸，屬于鉆遇小斷層。Y2(K2)在運輸巷52號點處垂直工作面、水平鉆進23 m出現流水、煤層破碎，驗證了該處存在導水裂隙帶。Y3(K3)在進風巷39號點處垂直工作面、水平鉆進36 m出現流水，鉆進52 m處見矸石，屬鉆遇斷層，驗證了該處存在導水斷層的探測結果。Y4(K4)在進風巷29號點處垂直工作面、水平鉆進17 m見矸石，即鉆遇F1斷層，而且存在流水現場，即該斷層對于上覆含水層具有一定的輸導作用，其與探測結果相一致。

3 結語

通過電磁波透視與瞬變電磁基本原理分析和實際探查，并經5處鉆孔施工，進一步驗證了前期電磁波透視與瞬變電磁聯合探測結果的準確性。電磁波透視與瞬變電磁法的聯合應用，可有效探查回采工作面中的斷層、裂隙帶等地質異常體，并可判斷其富含水性，對于導水斷層、導水裂隙帶定位準確、快捷?？珊芎脼楣ぷ髅婊夭商峁┌踩笇?，從而降低地質災害和水害等災難，為煤礦安全生產及發展提供技術支持，值得推廣應用于生產一線。