瞬變電磁法在采面頂板巖層富水區(qū)的探查應用

常豐國

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

常村煤礦主采3#煤層。本煤層5302工作面受上部老空水、頂板砂巖水、覆巖結構離層水等水害威脅。為避免工作面產生突水事故，確保安全生產，必須在工作面回采前探清工作面上方的含水構造[1-4]。瞬變電磁法具有操作簡單，施工效率高，低阻探查靈敏，探查結果準確及探查信息全面等優(yōu)點，是目前礦井水文地質探查方法中的首選[5]。因此，常村煤礦采用瞬變電磁法對5302工作面上覆富水異常區(qū)進行了探查，結合三維數據可視化軟件，繪出5302工作面的頂板視電阻率等值線三維切片圖，查明了5302工作面頂板的富水異常區(qū)。通過鉆探手段進行驗證，證明物探結果的準確性，為5302工作面的頂板防治水工作提供了可靠的技術支持。

1 探查地概況

常村煤礦主采石炭二疊系3#煤層，5302工作面為該礦備采工作面。工作面走向長度1 500 m，傾向長度260 m；平均煤厚4.2 m，煤層傾為4°；煤層頂板以上28～47 m段為K8灰?guī)r含水層，53～80 m段為K10灰?guī)r含水層。工作面頂板上方圍巖因采動影響形成的裂隙或發(fā)育的斷層等構造有導水可能。因此，在回采前必須探明富水異常區(qū)的分布并采取可靠的防治水措施，以確保工作面的安全生產。

2 瞬變電磁原理分析

瞬變電磁法（Time domain electromagnetic methods）又稱時間域電磁法，簡稱TEM。其原理簡單來說就是以電磁感應定律為基礎，利用不接地回線向探測方向進行脈沖磁場發(fā)射，在井下導電巖體中形成感應電流，脈沖磁場發(fā)射間隔中，利用線圈觀測二次渦流場的變化，并根據探測物本身的電磁傳導參數的不同來判斷探測方向是否存在地質構造。

通過線圈所觀測的二次渦流場變化主要是電磁場的擴散速度及電磁場范圍內的煤巖體視電阻率強弱分布和變化造成的。其中電磁場的擴散速度是隨周邊構造物的電磁傳導性的變化而變化的。電磁場的傳播速度計算見式（1）。

式中：v為電磁場傳播速度；σ為導電率；μ0為真空磁導率；t為電磁場衰減時間。

經計算分析可知，二次渦流場的擴散和衰減速度與探測區(qū)域的電流傳導性有關，呈正比關系。

巷道中瞬變電磁法探測的目標區(qū)域附近的視電阻率可通過反推二次渦流場觀測數據得到，其分布情況及變化情況計算見式（2）。

式中：ρt為視電阻率；B為井下巷道內工作裝置與地表工作裝置間的比例系數；C為空間響應的系數；S/s為發(fā)射與接收回線的面積；N/n為發(fā)射與接收回線的圈數；V為接收的歸一化二次場電位；I為供電強度。

3 瞬變電磁法井下探查

3.1 物探設計

5302工作面走向長度為1 500 m，傾向長度為260 m，面向切眼左側為53021巷道，右側為53023巷道。本次瞬變電磁探查設計使用型號為YSC160D的礦用型瞬變電磁儀，回線面積為2 m×2 m，發(fā)射回線圈數為26圈，接收回線圈數為60圈。設計沿左右兩巷全工作面探查，兩條巷道以切眼向外各布置5條探測線，每10 m設置一個探測站，各探測站的探測方向為順煤層0°、順頂板15°～30°～45°～60°。5302工作面瞬變電磁探測方向布置見圖1。

圖1 工作面瞬變電磁探測方向布置

3.2 視電阻率反推分析

井下瞬變電磁數據采集完成后，將探測數據采用TemProcess精密分析技術進行全方位分析解釋，得出全工作面內的視電阻率成果數據，并基于探測位置及深度將成果數據進行進一步處理，建立工作面視電阻率三維模型，見圖2。該模型原點O為53023巷道與切眼交點，X軸方向為切眼沿53023巷道向外，Y軸方向為53023巷道向53021巷道，Z軸方向為工作面頂板方向。

圖2 工作面視電阻率三維模型

工作面傾向長度為260 m，探測站到切眼的距離表示為A，探測站沿探測方向的距離表示為B，三維坐標軸原點O 為53023 巷道與切眼交叉點，則53023巷道內探測站空間位置在三維坐標系內為A，Bcosθ，Bsinθ；53021巷道內探測站空間位置在三維坐標系內為A，260-B-cosθ，Bsinθ。其中θ為探測站探測方向與工作面頂板的夾角。

工作面視電阻率三維模型建立完成后，采用三維數據可視化軟件Voxler將K8砂巖及K10砂巖內含水層與工作面頂板相對位置的視電阻率等值線制成三維數據，最后應用相關軟件將其成圖。工作面的頂板視電阻率等值線三維切片見圖3。

圖3 工作面頂板視電阻率等值線三維切片

視電阻率等值線三維切片顯示，在工作面內存在視電阻率不足10 Ω·m區(qū)域共有三處，分別是YC1、YC2、YC3。這三處區(qū)域顯示視電阻率過低，判斷區(qū)域異常富水。其中YC1區(qū)域位于工作面切眼向外方向200 m范圍內，切片形狀顯示為面狀，應為向斜軸局部應力集中區(qū)，區(qū)域裂隙發(fā)育，裂隙水豐富；YC2區(qū)域位于工作面切眼向外方向650～750 m范圍內，切片形狀顯示為條帶狀，應為該區(qū)域巖層應力集中破裂，破碎帶內含水豐富；YC3區(qū)域位于工作面切眼向外方向1 400～1 500 m范圍內，切片顯示形狀為橢圓型，應為該區(qū)域內巖層呈環(huán)狀下沉，陷落柱裂隙帶內分布大量地下水。

3.3 視電阻率分布三維建模

通過三維數據可視化軟件Voxler對工作面視電阻率等值線三維切片數據進行三維模型建立，將5302工作面內視電阻率低于10 Ω·m的區(qū)域在三維模型中展開，將低阻異常區(qū)空間位置、范圍形狀以及特征可視化，為工作面的地質分析工作提供精確直觀的數據支持。根據工作面整體視電阻率的分析評估，判斷視電阻率低于10 Ω·m的低阻異常區(qū)為富水區(qū)域。工作面頂板10 Ω·m視電阻率三維模型見圖4。三維模型中顯示，視電阻率為10 Ω·m的區(qū)域分布集中在工作面頂板以上50～80 m范圍及工作面頂板以下80～100 m范圍內。

圖4 工作面頂板10 Ω·m視電阻率三維模型

4 物探成果鉆探驗證

為進一步驗證瞬變電磁法在5302工作面內的物探成果，采用打鉆的方式對判斷的富水異常區(qū)進行鉆探驗證。本次鉆探驗證的成果數據見表1，在53302工作面中53021及53023兩條巷道各施工3個鉆場，共計施工6個鉆場，每個鉆場3個孔，共計18個鉆孔。其中53021巷道1#鉆場3#鉆孔及3#鉆場2#鉆孔有少量出水，出水鉆孔分別位于切眼向外80 m處及切眼向外1 430 m處。1#鉆場3#鉆孔在鉆進71.8～76 m位置時有少量出水，3#鉆場2#鉆孔鉆進96～109 m位置時有少量出水；53023巷道內5#鉆場2#鉆孔有少量出水，出水位置位于切眼向外766 m處，鉆孔鉆進98～117.6 m位置。

表1 5302工作面富水異常區(qū)鉆探情況

為了確定上述3個出水鉆孔的出水層位，對孔內出水位置進行了窺察并拍攝照片。照片顯示53021巷道1#鉆場3#孔內71.8～76 m處、3#鉆場2#孔內96～109 m、53023巷道5#鉆場2#孔內98～117.6 m處，孔壁均有少量出水。結合鉆孔軌跡定位，顯示以上3個出水鉆孔的鉆進軌跡均產生了不同程度的向下偏移，角度偏差較小，影響不大。根據地質資料判斷，1#鉆場出水層位位于煤層頂板以上40～45 m范圍，確定出水層位為K8砂巖含水層；3#鉆場出水層位位于煤層頂板以上61～68.8 m范圍，確定出水層位為K10砂巖含水層；5#鉆場出水層位位于煤層頂板以上62～73.3 m范圍，確定出水層位為K10砂巖含水層。出水鉆孔孔內出水位置見圖5。

圖5 出水鉆孔孔內出水位置

經上述鉆探驗證，證明了瞬變電磁法在井下水文探查成果的準確性，成果中YC1富水異常區(qū)含水層位位于K8砂巖含水層中，YC2、YC3富水異常區(qū)含水層為位于K10砂巖含水層中。

5 結語

通過常村煤礦5302工作面中瞬變電磁法富水異常區(qū)的探查，證明其在井下水文探查的成果準確可靠。通過工作面視電阻率等值線三維切片以及低阻異常區(qū)的三維建模，詳實直觀地展示了工作面中富水異常區(qū)的分布位置及形狀范圍。最后通過鉆探驗證，確定富水異常區(qū)所在的出水層位，為礦井防治水工作提供了可靠的技術支持。