孔中瞬變電磁法在綜放工作面底板破壞深度探測中的應用研究

王 程，安又新，朱宏軍，郭建磊

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭開發正由淺部走向深部，深部煤礦受巖溶水的威脅尤為突出，特別是對開采石炭-二疊系煤層的華北型煤田[1]。華北區域含煤地層受巨厚奧陶紀灰巖含水層威脅，由于采動效應的影響致使原始應力平衡狀態被打破[2]，形成采動破壞帶，一旦其破壞深度大于有效隔水層厚度，將會形成導水通道導致采煤工作面發生底板水害。所以應重視底板破壞深度的探測，避免底板隔水層變薄區或隱伏構造區采動引起底板突水等災害。

對于正常煤層底板巖層可通過相似模擬試驗、數值模擬等方法計算底板破壞深度，如突水系數公式[3-4]、“下三帶”及“四帶”理論[5]、原位張裂和零位破壞理論[6]、采深、采寬和采高3 因素影響的新預測模型[7]、物理模擬模型[8-9]等方法近似得出底板破壞深度，但由于煤層底板巖層性質多變，加之構造及原生裂隙等影響，上述方法還無法滿足實際防治水工作的需要。在實際工作中，采用原位測試的方法對煤礦回采工作面底板破壞深度進行現場實測，主要的方法為鉆孔注(壓)水法和地球物理方法，其中地球物理方法具有快速無損、施工效率高、成本低廉等優點，近些年被廣泛地應用回采工作面底板破壞深度測試和研究中[10-11]。

針對回采工作面底板破壞深度測試所采用的地球物理方法主要有：高密度電法和雙巷并行電法，董春勇等[12]采用高密度電法對煤層底板破壞深度進行了定期的探測；吳榮新等[13]采用雙巷并行電法成功探測工作面底板富水性特征及薄煤區范圍，但由于開采區工作條件的限制，僅在巷道中布設采集點只能用于探測工作面前方受超前支撐應力的壓縮區，以及工作面回采前期頂底板賦水性探查，對于工作面回采后采空區底板的破壞深度難以有效探測；劉樹才[11]、高召寧[14]等采用孔巷電阻率CT 的方法對回采工作面底板破壞深度進行了監測；楊峰等[15]采用地質雷達提出對數功率剖面技術分析煤礦隱伏病害，并取得良好效果，但由于電磁波趨膚效應的影響，探測深度有限；張平松等[16]利用地震層析成像技術，通過觀測彈性波在巖層中的傳播時間，進行反演成像得到巖層不同速度分布圖來判斷破壞帶的發育深度。近幾年張平松等[17]基于分布式光纖傳感技術及跨孔電阻率CT 原位綜合測試技術，對準格爾煤田某礦6 煤開采期間的底板巖層變形與破壞過程及其特征進行研究，但這兩種方法均對檢波器或傳感器與鉆孔壁的耦合要求較高，且要求鉆孔封孔材料近似恢復原巖物理性質，工藝有待進一步的研究。

煤礦回采工作面采空后，頂板導水裂隙帶波及頂板含水層時，上覆含水層水流入采空區，并順底板破壞裂隙滲入底板破壞帶，會導致底板破壞帶巖層的電阻率降低，為礦井電法探測底板破壞深度提供了地球物理前提條件。

礦井瞬變電磁法相比直流電法方法具有對低阻體敏感、效率高等特點，廣泛應用于采掘工作面頂底巖層含水構造的探測。但由于煤礦巷道中的鐵錨桿與錨網、采掘機械等設備對電磁波傳播影響較大，導致瞬變電磁法解釋精度降低，制約了瞬變電磁法的應用。針對此問題，近幾年發展起來的孔中瞬變電磁法[18-20]將瞬變電磁法收發裝置置于鉆孔中，避開了巷道內干擾源，提高了數據信噪比，促進了瞬變電磁法被廣泛應用于煤礦防治水及其他領域。

本文以準格爾煤田酸刺溝煤礦6119 回采工作面為研究背景，采用孔中瞬變電磁探測技術及裝置，在鉆孔內探測回采工作面采空區底板電性破壞層，從而推斷采后底板破壞深度，經過理論計算和鉆孔注水分段壓水測試，驗證本次孔中瞬變電磁法的推斷，對該區域內巨厚煤層綜放工作面底板破壞深度測試具有一定的借鑒意義。

1 方法簡介

1.1 方法原理

孔中瞬變電磁法與瞬變電磁法原理基本一致，利用回線圈向鉆孔周圍發送脈沖式一次電磁場，用線圈觀測由該脈沖電磁場感應的鉆孔附近渦流產生的二次磁場三分量信號，通過垂直分量數據反演成像獲取鉆孔附近的低阻異常體，然后再利用水平分量對異常體中心進行定位。相比在巷道內收發的瞬變電磁法，孔中瞬變電磁法收發裝置均位于鉆孔內，遠離了巷道內各種干擾；探測目標為鉆孔徑向20 m 范圍內的地質異常體，異常信息行程近，損耗小，異常場擴散小，分辨率高。

孔中瞬變電磁法施工工藝為采用鉆機將收發探頭一次性推送至孔中[21]，以等間距點距逐一完成全孔段數據采集工作，探測鉆孔徑向20 m 范圍的異常體位置?？字兴沧冸姶欧ㄔO備和探測原理如圖1 所示。

圖1 孔中瞬變電磁探測原理[22]Fig.1 Schematic diagram of borehole TEM detection[22]

1.2 數據處理

采集到孔中瞬變電磁法的數據后，首先對數據進行多匝回線電感影響消除及曲線偏移的預處理[23]，然后對磁場的垂直分量計算得到晚期視電阻率。

1)電感校正

由于極小和多匝數的發射線圈，使一次場的關斷時間變長，導致孔中接收的二次感應場早期信號畸變，因此，需要進行早期信號的校正。

式中：ET為校正后的感應電動勢，V；E為采集到原始感應電動勢，V；為n匝回線圈的電感系數；I為發射電流，A；t為觀測時間，s。

電感系數為：

式中：n為回線圈匝數；μ0為真空磁導率，取4π×10-7N/A2；b為方形回線邊長，m；a為導線半徑，m。校正后的早期感應電動勢曲線的斜率與晚期方可達到一致。

2)曲線偏移

孔中多匝極小線圈電容電感和接收的感應電動勢較大，使暫態時間變長，導致感應電動勢曲線整體抬升，因此，需對電感校正之后的曲線進行整體的曲線偏移處理，步驟如下：首先計算理論的初始感應電動勢E0，設置一個很小的差αEnd=Ef-E0作為迭代的終止條件，迭代公式為：

式中：Ef為曲線偏移后的感應電動勢，V；Fk迭代初始值為即式(3)中分母為t5/2；k為迭代次數；?t為迭代步長，初始值設置為0.1。迭代終止后偏移得到的感應電動勢曲線則與地面瞬變電磁法常規曲線基本一致。

3)晚期視電阻率

孔中的瞬變電磁感應場與地面不同，其為全空間響應，因此，孔中測量的垂直磁場晚期視電阻率計算公式如下：

式中：ρτ為晚期視電阻率；C為全空間系數；S和N分別為發射線圈的面積和匝數；s和nr分別為接收線圈的面積和匝數；U為接收電壓。

根據磁場垂直分量得到鉆孔附近低阻異常體，當需要對異常體定相對鉆孔空間位置時，可采用垂直正交于鉆孔的 2 組水平分量(X、Y分量)的幅值變化，判斷異常中心方位角進行定位[22,24]。

1.3 數值模擬

為了驗證鉆孔瞬變電磁法探查底板破壞層的效果，設計如圖2 所示的2 種模型，采用時域有限差分進行數值模擬，在巷道布設2 個孔深100 m 的鉆孔，前20 m為套管段，不測量數據。模型1 為原始未破壞的完整砂巖層模型，模型2 為淺層砂巖經采動破壞電阻率降低，深層為砂巖的二層模型。將模擬的結果數據經過上述的流程處理計算得到圖2 的孔中瞬變電磁探查底板破壞層模擬剖面圖。由圖2 可知，模型1 的孔中瞬變電磁法探查結果視電阻率值趨于均一，模型2 的孔中瞬變電磁法剖面圖中，在破壞層內外的視電阻率呈明顯差異，位于破壞層內出現明顯的低阻異常區，這一低阻異常的厚度、位置均與模型設置吻合較好，探測精度較高。

圖2 孔中瞬變電磁探查底板破壞層模擬剖面Fig.2 Section of transient exploration of floor failure layer in simulated hole

2 應用實例

2.1 地質概況

酸刺溝煤礦位于準格爾煤田東部，鄂爾多斯向斜的東北緣，天橋泉域西部的徑流排泄區，目前主要綜放開采石炭-二疊系太原組的6 號煤層，6 號煤層頂板充水水源有山西組砂巖含水層和上、下石盒子組砂巖含水層，其中上石盒子組砂巖含水層富水性極差，下石盒子組砂巖和山西組砂巖含水層富水性弱-中等，局部較強。根據臨近工作面采后觀測結果顯示，導水裂隙帶發育基本均導至地表。該礦6119 工作面回采期間，頂板含水層水順頂板裂隙帶流入采空區，采空區水量基本穩定在20 m3/h，部分水通過底板破壞裂隙滲入底板破壞的巖層裂隙中，導致底板破壞層位的電阻率值降低。

2.2 工程布置

采用孔中瞬變電磁法測試6119 工作面回采后底板破壞深度，6119 工作面已回采，西側6121 工作面巷道形成未回采。在6121 工作面輔運巷3 號聯巷位置，布置CS5 鉆孔斜向下穿過6119 和6121 工作面之間煤柱進入6119 工作面底板破壞區域，水平投影距離60 m 左右，布置DB2 鉆孔斜向下進入6121 工作面底板，此孔為未破壞區域對比孔，兩孔垂深均為40 m。

孔中瞬變電磁法施工區段為：CS5 鉆孔出套管后，距孔口位置10 m 處開始施工，探測點間距2 m，共探測范圍10～80 m；DB2 鉆孔出套管后，距孔口位置8 m處開始施工，探測點間距2 m，共探測范圍8～62 m。

另外施工2 個不同傾角的鉆孔CS4 和CS6，與CS5 和DB2 采用鉆孔注水試驗法驗證孔中瞬變電磁法探測成果，鉆孔施工布置如圖3 所示。

圖3 鉆孔施工布置Fig.3 Drilling construction layout

2.3 成果分析

孔中瞬變電磁法成果如圖4 所示，DB2 孔徑向20 m范圍內所測得的視電阻率值為90～130 Ω·m,說明巖層綜合視電阻率值較為均一，裂隙欠發育，推測巖層完整。CS5 孔徑向20 m 范圍內視電阻率值為30～150Ω·m，巖層綜合視電阻率值不均一，較為明顯地分為兩層，孔深12～52 m 視電阻率值較低，為30～70Ω·m，孔深52～80 m 視電阻率值增高，為80～150 Ω·m。

圖4 孔中瞬變電磁法剖面成果Fig.4 Borehole TEM profile

6119 工作面回采過后的區域都屬于重新壓實區[12]，頂板導水裂隙帶發育至地表，頂板含水層水順著裂隙流入采空區，滲入底板破壞層中，導致巖層電阻率降低，低于正常巖層。通過對比DB2 和CS5 孔中瞬變電磁法成果，推測CS5 孔深52 m 以淺為6119 工作面回采后底板巖層破壞層位，CS5 孔深52 m 對應的垂深為52 m×sin33°=28.3 m，因此，推測6119 工作面回采后，底板破壞層垂深為28.3 m 左右。

2.4 驗證對比

為驗證鉆孔瞬變電磁法探測回采工作面底板破壞深度的精度，首先基于不同巖石破壞準則計算得到的酸刺溝煤礦6119 工作面煤層開采底板破壞深度為25.27～29.70 m，其中：平面應力計算結果為28.19 m；平面應變結算結果為25.27 m；彈性理論-M-C 破壞準則計算結果為28.50 m；彈性理論-Griffith 破壞準則計算結果為25.40 m；塑性理論計算結果為29.70 m。

然后在CS4、CS5、CS6 和DB2 鉆孔采用注水-雙栓塞分段壓水試驗測試底板破壞深度。注水-雙栓塞分段壓水試驗測試是封閉鉆孔測試段兩端，對測試段進行壓水試驗，測定鉆孔各段的漏失流量，以此了解巖石的破壞松動情況，確定煤層底板的破壞深度。

由圖5 可知，鉆孔各測試段均隨著壓水試驗壓力的增大而壓水量相應增加，說明在壓水試驗過程中未發生原有裂隙堵塞等現象，壓水試驗前洗孔效果較好。而隨著壓力的增大，壓水量沒有出現顯著增大的現象，說明在試驗壓力作用下，未發生原有裂隙加寬或隱裂隙劈裂等現象使巖體滲透系數顯著增大。通過對比分析4 個鉆孔的曲線，DB2 鉆孔全孔段未見明顯的壓水量增大分界線，CS4 鉆孔在垂深24 m 之前相對壓水量明顯較大，CS5 鉆孔在垂深31 m 之前相對壓水量明顯較大，CS6 鉆孔在垂深25 m 之前相對壓水量明顯較大，因此，推斷工作面底板破壞深度為24～31 m。

圖5 不同壓力下各鉆孔壓水量變化曲線Fig.5 Water pressure curves of each borehole under different pressures

綜上所述，理論公式計算底板破壞深度在25.27～29.70 m，鉆孔注(壓)水法實測底板破壞深度在24～31 m，孔中瞬變電磁法探測工作面回采后底板破壞深度為28.3 m 左右，經理論和鉆孔注水法驗證了采用孔中瞬變電磁法探測底板破壞深度的準確性。

3 結論

a.當回采工作面頂板存在含水層時，頂板水順導水裂隙帶滲入采空區底板破壞層，導致破壞層和完整層的電阻率發生明顯差異性，為采用電法探測回采工作面底板破壞深度提供了前提條件。

b.本文采用瞬變電磁法與鉆孔相結合的孔中瞬變電磁法，首次將其應用于探測回采工作面底板破壞深度，通過理論公式和鉆孔注水法驗證了結果的準確率，為探測回采工作面底板破壞深度的提供了一種新的準確測試方法。

c.回采工作面底板破壞深度隨工作面傾向長度不同而變化，下一步將在不同平距的鉆孔中試驗，并結合孔中直流電法進行聯合試驗，進一步提高探測精度。