物探技術在超前探測礦井含水層富水性中的應用

趙磊，胡建華，周坦，敖長金，吳曉明，王德華，敖美玲

(1.湖北三寧礦業有限公司，湖北 宜昌市 443100；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

礦井涌水、突水、透水等水害會對生產安全和施工進度產生嚴重影響，水害的超前預測對礦山資源開采具有重要意義。雖然鉆探方法探測準確，但只能探測鉆孔及其周圍的地質狀況，增加鉆孔又會增加勞動強度、延長鉆探時間、增加施工成本，不能完全預測工作面前方的含水情況，且鉆探鉆孔易成為導水通道，存在潛在的誘發突水風險。

瞬變電磁法具有體積小、方向性強、施工便捷、探水距離遠的特點，對高阻圍巖內的含水構造有較高的分辨能力，當巖層完整性發生較大變化，或存在較多的裂隙孔隙，巖層電阻率會顯著升高，或者呈現出一定的波動性；若上述裂隙區被水充填，巖層之間原來幾乎絕緣的空隙再次被連接，巖層的電阻率顯著下降，這樣就會使得富水區域表現出明顯的低電阻特性，能夠較準確地探查采掘工作面前方富水異常區域和含水地質異常體及其含導水性，為井下水害預報和防治提供有效的技術指導[1-3]。因此，在礦井日常防治水工作時，預先進行物探超前探測，然后對異常區域進行鉆探驗證，做到有的放矢，極大提高了探水效率，確保安全的同時可顯著降低探水成本[4]。麻坪磷礦550斜坡道掘進至震旦系上統燈影組含水層時，為了確保快速安全掘進，真正做到“有疑必探、先探后掘”，采用瞬變電磁法超前探測作業面迎頭前方150 m的低阻體異常及分布范圍，分析探測區內含水構造形態及水力聯系，有針對性地布置鉆探。本文對該技術的應用和取得效果進行了闡述和總結，可為類似礦井含水層的富水性探測提供借鑒和指導作用。

1 工作原理

瞬變電磁探測技術是礦山工程領域應用較為成熟的重要勘探手段之一，以法拉第電磁感應原理為工作原理，在礦井內硐室、巷道、采場或掘進迎頭向預探測方向發射脈沖電磁波，在脈沖時間的間隔期，通過感應線圈或接地極等設施來進行觀測、剖析介質所產生的二次感應場，根據探測介質電阻率的變化規律來預測異常地質體的分布和狀態。地下工程中的巖體、礦體、含水和導水結構的導電性能、磁性千差萬別，由這些不同的地質體引起的渦流而產生的二次感應場就可分析預測地下礦體的賦存狀態以及含水性、導水性等地質構造情況[5-6]。

2 地下礦山應用的特殊性

與地面工程相比，地下礦山瞬變電磁具有顯著的巖土工程行業特點。因井下巷道內存在如照明、防塵灑水、注漿、錨網、礦用工字鋼、管道電纜等各種金屬材料，這些材料將對礦井瞬變電磁場產生強烈的影響，這是與地面工程環境應用瞬變電磁法的顯著區別。由于受井下作業環境和空間的限制，采用小線圈裝置，數據采集較為便捷且采集效率高[7]。

3 探測方案

本探測方案的工作布置方法如下。

沿作業面迎頭布置3條測線，分別為頂板（斜向上30°方向）、順層方向和底板（斜向下30°方向），如圖1所示。根據工程需要，每條測線上設置 11個物理節點，合計33個物理節點，如圖2所示。利用在掘進迎頭移動發射接收線圈，形成3個方向的視電阻率斷面扇形圖。

圖1 勘探測線縱剖面布置

圖2 勘探測線橫剖面布置

4 探測成果釋義

4.1 作業面30°斜向上（頂板）視電阻率斷面扇形圖釋義

圖3為作業面掘進頭30°斜向上（頂板）視電阻率探測扇形剖面，解譯如下：

圖3 作業面掘進頭30°斜向上視電阻率斷面

（1）該條測線的左幫40～150 m，角度在左幫0～5°之間，存在低阻異常區域（已用紅色線圈出）；

（2）該條測線的左幫100～150 m，角度在左幫 35°～55°之間，存在低阻異常區域，（已用紅色線圈出）；

（3）該條測線的正前、右幫90～150 m，角度在右幫 90°～180°之間，存在低阻異常區域（已用紅色線圈出）。

4.2 作業面順層方向視電阻率斷面扇形圖順層方向釋義

圖4為作業面掘進頭前方順層方向視電阻率探測扇形剖面圖，解譯如下：

圖4 作業面掘進頭順層方向視電阻率斷面

（1）該條測線的左幫100～150 m，角度在左幫35°～55°之間，存在低阻異常區域（已用紅色線圈出）；

（2）該條測線的正前、右幫110～150 m，角度在右幫 90°～180°之間，存在低阻異常區域（已用紅色線圈出）。

4.3 作業面30°斜向下（底板）視電阻率斷面扇形圖釋義

圖5為作業面掘進頭30°斜向下（底板）視電阻率探測扇形剖面圖，解譯如下：該條測線的正前、右幫120～150 m，角度在右幫90°～160°之間，存在低阻異常區域（已用紅色線圈出）。

圖5 作業面掘進頭30°斜向下視電阻率斷面

5 結論與建議

5.1 結論

（1）根據作業面視電阻率斷面圖，結合物探綜合探測方向，可知該巷道斜向上30°方向存在多處低阻異常區域，可能存在多處裂隙發育帶導水情況。該巷道順層方向左幫、正前方及右幫存在相對低阻區域，反應強烈，低阻區域明顯，由于作業面處于含水層，所以順層方向正前方及右幫為作業面掘進重點關注防范部位。斜向下30°方向探測結果顯示右側存在明顯異常。

（2）結合地質資料分析，對低阻異常區域設計鉆孔、打鉆驗證，必要時進行疏放水，確認安全后方可掘進。

（3）本次礦用瞬變電磁法物探按照“物探先行、鉆探驗證”程序開展工作，堅持“有疑必探，先探后掘”的探放水原則，提高了防治水安全保障的水平。根據施工情況表明，物探及鉆探結果與井下實際情況吻合，“兩探”都得到了互相驗證，瞬變電磁法在礦井井下探水應用效果良好，可以作為大范圍探水的首選方法，為礦井井下水害預報和防治提供便捷經濟有效的技術指導。

5.2 建議

（1）異常區的劃分是相對的，而且劃分的主要依據是視電阻率值的高低，但引起電阻率變化的因素是多樣的，因此物探結論存在多解性，物探結果為鉆探提供了參考依據。

（2）金屬干擾問題不可避免，在本次探測中，既有管道電纜影響又有錨桿錨索影響，干擾復雜、嚴重，使探測結果存在一定的偏差。所以，需要不斷優化，采取措施減少干擾，如機械設備處于斷電停運狀態，盡量減少人為電磁噪聲，盡量由專人操作設備。

（3）加強對掘進工作面順層方向左幫、正前方及右幫的水情觀測及排水工作，安裝足夠排量的排水泵及排水管路，在掘進頭低凹處挖掘泵坑，及時排除巷道積水。掘進過程中若遇淋涌水，應進行截水，工人穿雨衣并加強頂板觀察。

（4）在雨季來臨之前，應加大地表巡查力度，如有發現采動裂縫或地表塌陷應及時用土回填壓實，必要時注漿加固；對地面基巖露頭及火燒區周圍挖筑攔洪水溝。同時，加強對河道流量監測，發現問題應立即匯報、及時處理。遇強降雨天氣執行《雨季三防應急預案》緊急撤人[8]。