大地電磁單分量精準處理技術與深部致災水體探測

李沛濤，武 強，李卓融，李文雨，謝 建，王玉喜

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京 100083；2.北京郵電大學 人工智能學院，北京 100081；3.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責任公司，河南 鄭州 450081；4.河南景惠科技有限公司，河南 鄭州 450042)

地下富水區(qū)及導水通道精準探測一直是礦山水害防治和廢棄礦井水污染治理的難題，隨著我國礦產資源高強度、大規(guī)模向深部開發(fā)，深部富水區(qū)探測更是缺乏精準高效的裝備和技術。目前常用的直流電法和瞬變電磁法，探測深度淺、精度低[1]；精度較高的核磁共振探水技術，最大探測深度150 m，且裝備笨重，抗干擾能力差，反演的正確性、穩(wěn)定性有待于進一步提高[2]。深部探測常用的音頻大地電磁法是同時測量相互垂直的電場和磁場分量，求出頻點處的視電阻率，以此評價巖層的富水性，但采樣點縱向上較少且按對數(shù)分布，越向深處數(shù)量越少，探測精度適用于大尺度了解大地電性結構的差異[3]，無法滿足礦山水害治理工程的需要。

2010 年以后，我國先后啟動了一系列深部資源電磁探測技術與裝備重點研發(fā)項目，應用效果較好的有可控源極低頻電磁法[4]、時頻電磁法[5]、廣域電磁法[6]等，這些深地探測技術主要靠人工發(fā)射場源，能有效避免天然場源的不穩(wěn)定影響，但是設備龐大、操控復雜，和音頻電磁法一樣適合大尺度了解大地電性結構的差異。礦井水害防治、地下水污染治理及深部水文地質條件探測亟需精確、高效、大測深的探水技術和裝備。

為了解決地下富水區(qū)精準探測的難題，作者深入研究了天然源單分量大地電磁探測技術，該技術信號采集裝備輕便，測點密集，理論上可以滿足大測深、精細探測的要求。借鑒國內外多家儀器的先進經驗，設計出雙層陣列掃頻式平行板電容傳感器，研制和開發(fā)MaxwⅡ型大地電磁探水儀和相應的數(shù)據(jù)處理程序，并進行反復測試和校正，以期為深部富水區(qū)探測研發(fā)一種輕便、精準的物探裝備。

1 天然源單分量大地電磁技術

1.1 技術現(xiàn)狀及存在問題

天然源單分量大地電磁法是一項利用天然電磁場的一個分量，探測地球介質物性與介質埋深的地球物理探測技術[7]。具有探測深度大，設備輕便，適應各種復雜地形條件、對地表無損傷等優(yōu)點[8]。1985 年美國地球物理國際公司(簡稱GI 公司)研制出了天然源單分量的“巖性探測儀(Petro-sonde，PS)，曾在中國進行試驗表演和服務性現(xiàn)場測量，儀器輕便、測量結果和實際吻合較好[9]，但美國勘探地球物理學家協(xié)會認為PS 在理論上尚不完善，PS 的后續(xù)研究未有文獻披露。

除美國的GI 公司研制的PS 外，烏克蘭根據(jù)天然源單分量大地電磁理論開發(fā)的被動源電磁層析成像技術(簡稱PETM)、大地極化聲子探測技術[10]，應用到油氣地質探測工程，也取得了一定的成效。而其他國家未檢索到類似的技術介紹和文獻資料。

自1985 年我國開始了大地電磁測深理論和設備的研究。其中岳棋柱[7]、楊慶錦[8]、王文祥[11]等對大地電磁的原理進行了深入地研究，提出了各自的見解和理論，對儀器設計給出了具體的指導性算法；根據(jù)這些理論開發(fā)出的大地電磁儀，在構造、地下水、煤層氣和深部天然氣、地熱等探測方面有所應用[12-13]。秦其明等[14]在對信號采集和處理上進行了深入地研究，對天然電磁場在隨時間變化的規(guī)律進行了觀測和總結，對大地電磁探測理論進行了補充和完善。

也有部分學者對這種技術提出了質疑[15]，如天然電磁波的來源說法不一、場源不穩(wěn)定對采集信號干擾程度無法估量等。盡管該理論還存在爭論，但對攜帶地層信息的超低頻電磁波的存在得到了驗證，單分量大地電磁探測技術的可行性也得到廣泛認可[16]。

目前，單分量大地電磁測深信號處理主要是對接收到的電磁波信號的振幅進行統(tǒng)計和計算，以此來求得對應頻點處地層的無量綱視電阻率和深度-振幅曲線；在場源穩(wěn)定的情況下，采集到的信號具有良好的重復性和穩(wěn)定性，在具備一定先驗知識的前提下，通過對所獲得的曲線特征的分析與解譯，可以識別地下主要的地質界面以及相關資源的賦存[17]。

由于天然場源具有隨機性和時變性，導致無法判斷哪一時段采集的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的；場源的不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在強度上的變化，這對接收到電磁波的振幅影響巨大，甚至掩蓋了地層巖性信息在電磁波振幅上的響應，因此，這種方法采集的數(shù)據(jù)理論上是不穩(wěn)定的。

另外，探測目標是依靠幅值-深度曲線識別和劃分巖層，巖層組分的多樣性和相似性，鉆孔多條測井曲線尚不能準確劃分，單純依靠獲取的幅值-深度曲線達到識別和劃分巖層這個目標難以完成。2010 年后，天然源單分量大地電磁方面的文獻僅有前期儀器的探測應用，未見理論和技術研究突破性文獻。

綜上所述，地下富水區(qū)精準探測技術缺乏，特別是深部探測，尚無成熟的應用技術；天然源單分量大地電磁探測技術探測深度大，設備輕便，適應各種復雜地形條件，是理想的富水區(qū)探測技術。但由于天然場源的隨機性和時變性，干擾因素的多樣性和復雜性，造成采集信號的重復性較差，探測結果有時非常好，有時不理想，現(xiàn)有的技術無法取得穩(wěn)定可靠的探測效果。

1.2 MaxwⅡ型探水儀基本原理

1.2.1 單分量大地電磁波的特征

來自地球深部的大地電磁波，穿過巖層時受巖層物性的影響，會發(fā)生不同程度的改變。反映巖層介電常數(shù)、彈脆性、密度、空隙率等性質的信息會在透射過的電磁波上有所反映。可使用非平穩(wěn)信號的時域分析方法進行特征提取[18-19]，找出波形和巖層物性之間的映射關系。

表1 中列出了幾種常見巖石、水和石油的介電常數(shù)[20]，測定時用的頻率是105Hz。從表1 可以看出，3 大類常見巖石的介電常數(shù)在3～15，水的介電常數(shù)為80，明顯高于一般巖石，這是大地電磁探水儀對富水區(qū)探測的物性基礎。

表1 常見巖石的介電常數(shù)Table 1 Dielectric constant of common rocks

大量的試驗表明，同一地點相對振幅-深度曲線的包絡線在不同日期、同一鄰近時刻具有重復性[21]，不同時刻具有骨架的相似性。場源變化對振幅影響大，但對波形影響較小，波形的變化主要是地層巖性對透射電磁波的影響。在地面接收到的電磁波，包含了豐富的巖層物性信息，地下富水區(qū)在波形上響應特征特別明顯。

1.2.2 儀器基本原理

水文地質學將地下巖層分為隔水層和含水層，隔水層一般是致密、密度大的塑性巖層；含水層一般是彈脆性較好，受構造運動影響易破碎、產生裂隙的巖層，具有密度低、空隙(含孔隙、裂隙等)率高、介電常數(shù)高(電阻率低)的特點。因此，富水性指數(shù)選取了介電常數(shù)、密度、彈脆性和空隙率為主控因子，介電常數(shù)、空隙率、彈脆性和巖層富水性正相關，密度和巖層富水性負相關。

基于天然場單分量大地電磁波的特點，本文嘗試從波形上分維識別影響巖層富水性的物性信息，即將包含巖層豐富物性信息的電磁波分解成多個波形分量，從波形分量上分別提取巖層介電常數(shù)、密度、彈脆性、空隙率等物性信息[22-23]，作為主控因子按是否有利于地下水富集的性質進行賦值和歸一化處理，建立富水性指數(shù)模型[24]，進行多維度耦合計算，以此求得頻點處地層的富水性指數(shù)。

富水性指數(shù)(Mv)定義為某一時刻三維坐標點上反映巖層巖性的各種影響因子對穿過的電磁波產生的疊加影響。將多個突出巖層富水性質的影響因子疊加，更有利于從微弱信號中識別巖層的富水性；并且富水性指數(shù)主要是擬合波形和巖層物性的對應關系，可以有效減少天然場源強度變化對采集信號識別的影響。實現(xiàn)從時變性場源中采集信號并計算出相對穩(wěn)定的富水性指數(shù)，經相應的程序處理得到深度-富水性指數(shù)曲線，專門識別巖層的富水性，實現(xiàn)了天然源單分量大地電磁技術應用上的局部突破。

依據(jù)富水性指數(shù)理論，2015 年研制出MaxwⅡ型大地電磁探水儀，設備輕便，尺寸為200 mm×300 mm×300 mm，質量小于3 kg，經測試探測深度可達5 000 m。數(shù)據(jù)采集時間隨深度增加而增加，500 m 深的測點采集時間約1 min，和北京大學BD-6 大地電磁儀以及其他天然源單分量大地電磁探水儀相比，該儀器采用了雙層陣列掃頻式平行板電容器和富水性指數(shù)正演方法，改進了只統(tǒng)計計算振幅值的方法，克服了受天然場源變化影響的缺陷。和目前常用的音頻大地電磁儀(加拿大 phoenix 公司的V8)相比，該儀器只測電磁場的一個電場分量，設備輕便、采樣點密集、采集速度快，克服了音頻電磁法采樣點少、精度低的缺陷，但頻深對應不如音頻電磁儀，需要利用標志層校正。

2 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)據(jù)采集

MaxwⅡ型大地電磁探水儀，硬件上采用了自主研發(fā)的雙層陣列掃頻式平行板電容傳感器[25]，能夠實現(xiàn)陣列式頻率點數(shù)在64～106任意設定，頻帶范圍為3～3 000 Hz，探測值分辨率0.01 μV，深度分辨率可達0.1 m；上板為零電位的平行板電容器能有效避免儀器上方及側方電場的干擾[8]，經零磁環(huán)境試驗采集信號主要來自地下的感應電磁場。

儀器設計接收步長最小0.5 m，可按0.5 m 的倍數(shù)任意調整，在一個步點(頻率點)待信號穩(wěn)定后，重復接收8 個周期的數(shù)據(jù)，每個周期讀取100 個數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)存儲為一個時域波形，經時頻變換、降噪處理，找到該頻率的波形，利用傅里葉級數(shù)擬合該波形。

2.2 傅里葉級數(shù)對波形數(shù)據(jù)的擬合

傅里葉級數(shù)可對滿足狄里赫勒條件的周期波形，利用整數(shù)倍頻率的正、余弦分量的“正交性”，從一個復雜信號中分離出其中的一個成分(某個頻率的余弦)，另外其像一桿秤似的可稱出被分離出來的那個成分的“分量”(余弦的幅度和初相位)。利用傅里葉級數(shù)這種強大的功能，可以從測得的周期信號中提取出巖層的介電常數(shù)、密度、彈脆性、空隙率等巖性信息。

周期為T的波形信號f(t)，傅里葉級數(shù)的余弦表達式為：

式(2)中直流a0以及各余弦an和 正弦bn分量的幅度計算如下：

由下面公式可以算出：

式中：f(t)為周期為T的波形信號；c0為直流成分；n為正整數(shù)；ω為角頻率，ω=2πf=2π/T，其中f為頻率；φn為初相位；t為時間；t0為初始時間；c1cos(ωt+φ1)為基波；c2cos(2ωt+φ2)為 二次諧波；c3cos(3ωt+φ3)為三次諧波。

由此可以計算出周期(波形)信號f(t)傅里葉級數(shù)表達式各項的系數(shù)，即組成原周期信號的所有不同頻率余弦信號的“頻率”“幅度”以及“初相位”這3 個參數(shù)。求解后，傅里葉級數(shù)表達式可寫成：

由此可以看出，周期為T的波形信號f(t)是由直流c0以及無窮多個頻率為基頻整數(shù)倍的，且具有不同幅度和初相位的余弦信號疊加而成。也就是說傅里葉級數(shù)在時域時表征了這個周期信號的組成部分，把這個周期信號進行了分解。

采集的波形數(shù)據(jù)中包含巖層介電常數(shù)、密度、彈脆性、空隙率等物性信息，利用傅里葉級數(shù)對測得的數(shù)據(jù)進行擬合和分解，能從一個復雜信號中分離出各個分量，關鍵問題是如何建立各分量和物性信息的對應關系，實現(xiàn)物性信息的分維識別。

建立這種對應關系需經過在已知區(qū)進行大量試驗，采集已知不同巖性的波形信號，通過梯度下降法、最小二乘法等分別擬合成傅里葉級數(shù)表達式，對比分析已知不同巖性波形信號的差別，找出響應明顯的傅里葉級數(shù)分量，即可建立物性信息和傅里葉級數(shù)分量的對應關系。

河南鄭州礦區(qū)煤礦眾多，開采時間久遠，具備波形和物性對應關系試驗的各種條件。介電常數(shù)試驗選擇在鄭州礦區(qū)白坪煤礦的中央水倉區(qū)域開展，水倉充水和不充水時介電常數(shù)截然不同，其他物性信息基本相同，將采集到的2 種波形數(shù)據(jù)進行傅里葉級數(shù)擬合和分解，哪個分量變化明顯，即為反映介電常數(shù)的分量，這樣就能建立波形分量和介電常數(shù)的對應關系。同樣的方法，在灰?guī)r層裂隙發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)試驗可以找到空隙率和波形分量的對應關系；在同一時期形成的泥巖和砂巖中試驗，可以找到彈脆性和波形分量的對應關系；在成分相近的基巖和基巖風化中試驗，可以得到密度和波形分量的對應關系。

試驗數(shù)據(jù)經擬合成傅里葉級數(shù)表達式后，其直流分量和基波、二次協(xié)波、三次協(xié)波的幅度、相位見表2。由表2 可以看出：水倉充水和不充水時，基波幅度變化十分明顯，直流分量也有所變化，因此，可將基波分量表征介電常數(shù)；完整灰?guī)r和灰?guī)r裂隙發(fā)育區(qū)二次諧波幅度變化明顯，可用二次諧波分量表征空隙率；山西組砂巖和泥巖，三次諧波幅度變化明顯，可用三次諧波表征彈脆性；基巖和基巖風化帶直流分量差別明顯，兩者成分相近、因膠結程度不同導致密度不同，因此，用直流分量表征密度。

表2 傅里葉級數(shù)幅度、相位對比數(shù)據(jù)Table 2 Correlation data of Fourier base amplitude and phase in Fourier series contrast data

2.3 巖層物性分維值計算

經過對前期試驗數(shù)據(jù)的總結分析，基本找出了巖層物性和傅里葉級數(shù)分量的對應關系。利用這種對應關系，可以為巖層物性各影響因子賦值。

由試驗數(shù)據(jù)分析可知，同一種巖層，含水和不含水時測得的波形擬合成傅里葉級數(shù)，基波分量變化明顯，其他波形分量變化較小(表2)。因此，可用傅里葉級數(shù)基波分量表征巖層的介電常數(shù)，計算基波分量的包絡面積，作為巖層介電常數(shù)分維值。

式中：S為一個周期數(shù)據(jù)包絡線和坐標軸圍成的面積；t為采樣周期內的時間變量；f1(x,y,z)為坐標(x,y,z)處介電常數(shù)的分維值。介電常數(shù)和巖層富水性正相關，介電常數(shù)越大，反映巖石富水性越強。

同樣的方法，確定了巖層空隙率和傅里葉級數(shù)二次諧波分量相關性明顯、彈脆性和三次諧波分量相關明顯(表2)，可分別用二次諧波、三次諧波的包絡線面積作為巖層空隙率f4(x,y,z)、彈脆性f3(x,y,z)的分維值；巖層密度和傅里葉級數(shù)直流分量相關明顯(表2)，可直接用c0作為密度f2(x,y,z)的分維值。空隙率越高越有利于富水，彈脆性巖石易受構造應力影響形成裂隙，因此，空隙率和彈脆性和富水性正相關，巖石密度越大就越致密，不利于富水，密度和富水性負相關。

各影響因子的單位和量級不同，衡量標準不同，無法進行比較，對各影響因子分別采用相應的歸一化方法，使各影響因子無量綱化并處在同一量級，從而具有可比性和可加性。歸一化方法主要有極大值法、極小值法等。有利于巖層富水(正相關)的用極大值法，不利于巖層富水(負相關)的用極小值法。

1) 極大值法

式中：Ai為第i個主控因素歸一化后量化值；q、r分別為歸一化量化值的下限和上限，這里取0、1；Xi為第i個主控因素歸一化前量化值；Xmax為第i個主控因素歸一化前量化最大值；Xmin為第i個主控因素歸一化前量化最小值；適用于影響因子與富水性指數(shù)呈正相關時的歸一化。

2) 極小值法

式中各參數(shù)含義同上，式(11)適用于影響因子與富水性指數(shù)呈負相關時的歸一化。

2.4 富水性指數(shù)模型與計算

巖層巖性的影響因子主要有介電常數(shù)、密度、彈脆性、空隙率，利用建立的富水性指數(shù)模型可以計算測點處巖層的富水性指數(shù)值。

場源強度變化也會對電磁波產生重大影響，場源強度變化可通過在同一地點連續(xù)觀測，統(tǒng)計出場源強度隨時間變化的關系，設定上午8 時為標準值1，其他時間乘以時間系數(shù)θ，θ=f(s)關系式由試驗統(tǒng)計值擬合得到。物性指數(shù)模型可表示如下：

式中：Mv為富水性指數(shù)；Gk為主控因子權重；gk(x,y,z)為單因子影響值函數(shù)；x、y、z為空間地理坐標；n為影響因子的個數(shù)；f(s)為時間s時的場強系數(shù)。gk(x,y,z)在巖層信息指數(shù)中具體就是第k個主控因子量化值的歸一化后的值。

各影響因子權重值可利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP 法)計算得出，AHP 法是一種定性和定量相結合的層次化、系統(tǒng)化的多目標、多準則決策分析方法，通過建立層次結構分析模型、構建判斷矩陣、層次單排序及一次性檢驗和層次總排序及一次性檢驗，將多目標、多準則的復雜決策問題轉化為簡單的定量決策問題。

計算出的權重值人為因素較多，需要在大量測試數(shù)據(jù)的基礎上進行校正。選擇已知空間位置準確的地質體作為試驗地點，在地面垂直于地質體走向方向布設測線，密集布設測點(點距1 m)橫穿地質體，每個測點縱向上采樣點間距1～2 m。將采集數(shù)據(jù)處理成測線剖面，觀察分析已知地質體的響應情況。響應不明顯時，分別調整校正影響因子權重值。調整一個權重時，其他3 個保持不變，一般需進行10 次左右可校正到最佳值。

分別在位置清楚的地下污水管道、井下巷道、采空區(qū)、積水區(qū)、井下水倉、巖層裂隙帶、基巖界面等對比明顯的試驗點調整校正影響因子權重，采集600 多條剖面數(shù)據(jù)，校正后各影響因子權重值為：G1=0.39 (介電常數(shù))、G2=0.16(密度)、G3=0.11(彈脆性)、G4=0.34(空隙率)。由此可以得出巖層信息物性指數(shù)模型為：

按照富水性指數(shù)理論建立的富水指數(shù)模型，不僅統(tǒng)計和計算振幅值，主要是擬合波形和巖性的對應關系，從頻點數(shù)據(jù)中提取更多有用信息，所計算的富水性指數(shù)差異更能反映地層巖性的變化和富水性的強弱。參照電磁法物探常用的視電阻率概念，有利于巖層富水的取小值，不利于巖層富水的取大值，因此，將模型計算出的富水性指數(shù)取倒數(shù)，作為儀器采用的富水性指數(shù)值，和常規(guī)的電磁法儀器保持一致，即富水性指數(shù)越小，富水性越強。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集時，一定頻率采集到的信號，經過富水性指數(shù)模型轉換和頻率-深度轉換，可以獲得富水性指數(shù)-深度數(shù)據(jù)，存儲在以 .txt 為擴展名的文件中，該數(shù)據(jù)具有對應深度的巖層富水性指數(shù)相對值性質。用深度作縱坐標，富水性指數(shù)作橫坐標，從而獲得單測點富水性指數(shù)-深度曲線，根據(jù)上述模型和原理，用C++語言開發(fā)出了相應的計算程序，實現(xiàn)了采集信號正演的自動化。

實際施工時，為了更好地識別富水區(qū)及導水通道，將測點按線布設，測點、測線密度根據(jù)探測目標的大小和探測精度的要求，可自由調整，對井下巷道、線形導水通道可加密至0.5 m×0.5 m，縱向上頻點步距也可加密至0.1 m。對采集到的各測點富水性指數(shù)-深度數(shù)據(jù)用專門的軟件進一步處理成測線等值線剖面圖，并用不同的顏色區(qū)分，更容易識別巖層的物性差異，通過物性顏色差異，可直觀地解釋出富水區(qū)及其連通情況，從而判斷采掘工程作業(yè)地點的導水通道。

3 試驗區(qū)水文地質條件分析

超化煤礦位于河南新密煤田西南部，屬華北型石炭-二疊紀煤田，礦井水文地質條件復雜，底板灰?guī)r富水性強，煤層開采受底板奧陶系和石炭系灰?guī)r承壓水威脅嚴重。礦井開采接近尾聲，僅余22 采區(qū)正在開采。井田內構造、地層控制程度高，水文地質資料豐富，是理想的試驗區(qū)。22 采區(qū)小斷層發(fā)育，曾多次發(fā)生底板突水現(xiàn)象，其中采區(qū)內3 個工作面在底板注漿加固完成后，回采時也發(fā)生了底板突水淹沒工作面和采區(qū)的事故。

本次試驗區(qū)為22011 工作面，工作面掘進已經全部貫通，試驗前底板注漿加固已按設計完成，試驗目的是通過探測注漿加固目的層的高阻連續(xù)性，評價其隔水性能，并通過鉆孔或采掘工程驗證探測結論的準確度。

22011 工作面位于22 采區(qū)的北部，長517 m，切眼處寬155 m，煤層底板高程-84.0～-100.8 m，切眼附近煤層底板高程-95 m 左右。工作面位于整個礦井的中部，上、下及周邊井巷工程較多，對物探工作有較大影響，常規(guī)的物探方法因干擾因素太多，資料無法采用，因此，在該區(qū)試驗也可以驗證大地電磁法的抗干擾能力。

3.1 底板含水層突水危險性分析

22011 工作面主采二疊系山西組二1 煤層，底板含水層主要有：

(1) 石炭系太原組上段灰?guī)r(L7-8)巖溶裂隙含水層，平均厚8.11 m，上距二1 煤層底板10 m 左右，底板破壞帶直達該含水層。經歷年疏降，工作面附近該含水層水位已降至煤層底板以下，無突水危險。

(2) 石炭系太原組中段灰?guī)r(L5-6)巖溶裂隙承壓含水層，平均厚6.06 m，上距二1 煤層平均為32.5 m。該灰?guī)r含水層分布不均，有時相變?yōu)樯啊⒛鄮r，為二1 煤層底板間接充水含水層。目前含水層水位為+30.59 m。在本工作面突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，小于0.1 MPa/m，有突水危險。

(3) 石炭系太原組下段灰?guī)r(L1-4)巖溶裂隙承壓含水層，上距二1 煤層底界平均65 m，為二1 煤層底板間接充水含水層，下距奧陶系(O2)灰?guī)r含水層僅10 m，水位與O2灰?guī)r含水層水位一致。含水性不均，富水性、導水性較強，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，小于0.1 MPa/m，有突水危險。

(4) 奧陶系(O2)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，巖溶較發(fā)育，富水性強。突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，在沒有斷層導通的情況下，二1 煤回采時一般不會發(fā)生突水。但該含水層對太原組灰?guī)r含水層補充較多，在構造發(fā)育區(qū)，可通過太原組灰?guī)r含水層導通，成為礦井突水的間接水源，礦井歷次大的底板突水事故均有奧陶系灰?guī)r水參與。

3.2 工作面底板加固設計與施工

3.2.1 注漿層位

根據(jù)突水危險性分析，石炭系太原組上段灰?guī)r(L7-8)對工作面回采無威脅，有突水危險的是富水性較強的太原組下段灰?guī)r(L1-4)和奧陶系灰?guī)r(O2)含水層，太原組中段灰?guī)r(L5-6)含水層發(fā)育不穩(wěn)定，厚度相對較薄，富水性弱，但如果和下部灰?guī)r水導通，也會造成突水事故。因此，選擇太原組中部砂泥巖段(L7-8灰?guī)r底板以下、L1-4灰?guī)r頂以上層段，包含L5-6灰?guī)r)，作為阻斷下部灰?guī)r水的完整隔水層段，以L5-6灰?guī)r作為注漿的主要目的層，通過注漿改造L5-6灰?guī)r含水層、加固充填砂泥巖段裂隙，使該段巖層變?yōu)橥暾母羲畬佣危紫饶鼙ＷCL5-6灰?guī)r含水層不出水，還可以實現(xiàn)徹底阻斷下部灰?guī)r水上升通道的目的。

3.2.2 鉆孔布設和注漿

在工作面回風巷、運輸巷布設鉆場，以L5-6灰?guī)r作為注漿的主要目的層，按落點間距30 m 均勻布孔，斷層附近適當加密；下行式注漿，每個孔均達到注漿結束標準，所有鉆孔全部注漿結束后，整個工作面注漿加固達到了設計要求。

3.2.3 注漿加固效果

考慮到采區(qū)其他工作面注漿加固達到設計要求的情況下工作面回采時也發(fā)生了突水，本工作面是否會發(fā)生底板突水無法確定。因此，工作面開始回采前，需對注漿加固效果進行探測和評價。受巷道內設備和附近井巷工程的影響，常規(guī)的井下直流電法、瞬變電磁法及其他地面物探方法因干擾因素太多，無法完成高精度的探測。天然源單分量大地電磁探測技術具備了良好的試驗條件和時機，探測效果可以及時打鉆驗證，或在工作面回采時得到驗證。

4 探測工程試驗

4.1 深度校正

自主研發(fā)的MaxwⅡ型大地電磁探水儀，在新區(qū)開展工作時，需進行深度校正。頻率域電磁法勘探深度H的計算式[10]為：

式中：H為探測深度；ρ為該深度以上地層平均電阻率；fj為截止頻率。

數(shù)據(jù)采集時，先將ρ值取為當?shù)匾酝脑囼灲涷炛担缓筮M行校正，井底大巷坐標位置準確，埋深適中，和二1 煤深度基本一致，是理想的校正參考點。

井底大巷高程為-100 m 左右，地面高程為＋178 m，用高精度GPS 定位大巷對應地面位置，在垂直大巷布一測線，測線長10 m，點距1 m。以大巷中心為準，兩邊各5 m，共11 個測點。采集的數(shù)據(jù)經參數(shù)校正和處理后，得到垂直巷道測線剖面圖(圖1)，由于圖件太長，不利于顯示，在等值線生成后將上部截掉，保留下部，對圖件展示信息沒有影響。

圖1 超化煤礦22 采區(qū)東大巷測線剖面Fig.1 Survey line profile of east roadway of in panel 22 mining area of Chaohua Coal Mine

從圖1 可以看出：在高程-95～-105m，有一規(guī)則的對稱圖形，應為大巷位置。將探測巷道高程調整到-100 m，此時頻深對應計算的ρ值，作為本次探測的頻深計算常數(shù)值。

4.2 探測施工與資料處理

為了評價注漿加固效果，判斷工作面是否可以開始回采，在切眼附近對應的地面位置，在平行于切眼方向布設2 條大地電磁測線A線和B線，測點間距5 m，測線間距20 m，A測線測點為A0-A35，B測線測點為B0-B35，測線長180 m。探測初次來壓范圍內(距切眼30 m)工作面底板含水層的富水性、隔水層的完整性以及上下含水層連通情況。

采集的數(shù)據(jù)經過專門程序處理后，得到測線剖面圖，圖2 為A線剖面圖(放大煤層及以下部分，在等值線生成后將上部裁掉，對下部成圖沒有影響)，0 點為起始點；顏色從紅到藍，富水性逐漸變強。

圖2 A 測線剖面與地層對比Fig.2 Profile of survey line A and stratigraphic correlation

由圖2 可知：

(1) 煤層底板以下含水層和隔水層能夠清楚地劃分，太原組下段L1-4灰?guī)r和O2灰?guī)r含水層顏色較藍，富水性較好，且L1-4灰?guī)r和O2灰?guī)r有明顯的連通；太原組上段L7-8灰?guī)r含水層顏色呈藍綠色，由于該含水層已被疏干，富水性稍差。

(2) 煤層及底板和L7-8灰?guī)r含水層之間層段顏色呈黃紅色，富水性差，為隔水層。中部砂泥巖段(L7-8灰底至L1-4灰頂，包含L5-6灰，注漿目的層)顏色呈黃綠色，局部有藍色，富水性較差，可以視為隔水層，只是局部有含水裂隙；L1-4灰?guī)r和O2灰?guī)r之間，顏色呈藍綠色，局部有黃色，富水性稍差，為薄層隔水性能較差的隔水層，藍色部分為富水裂隙。

(3) 注漿加固的中部砂泥巖段(L7-8灰底至L1-4灰頂，包含L5-6灰)整體富水性指數(shù)較高，連續(xù)性較好，隔水性能較好，說明注漿加固效果明顯。

(4) L5-6灰?guī)r層位在距測線0 點20～35 m 和60～80 m處有藍色富水區(qū)，應為未加固好的區(qū)域，這2 處和下部含水層有連通，可判斷為導水通道。

B線也有相同的規(guī)律(不再附圖)，由此，可以初步判斷底板加固的效果，劃出未加固好的區(qū)域，為下一步鉆探驗證和補充注漿提供依據(jù)。

4.3 鉆探驗證與處理

在探測結果的基礎上，設計了4 個驗證鉆孔進行驗證和補充注漿，鉆孔終孔層位為L5-6灰?guī)r底板泥巖，位置如圖2 所示，各個鉆孔出水量和注漿量見表3。在解釋的2 處導水通道處，鉆進至劃定的導水通道時，鉆孔出水分別達到50、35 m3/h，相應注入水泥漿48、36 t(干水泥質量)，其他地方的驗證鉆孔基本無水，驗證了本次物探的準確性。經物探探測、鉆探驗證和補充注漿，可以判斷初次來壓區(qū)注漿達到預期目的。其他區(qū)域采取相同的方法進行了探測和補充注漿，工作面安全回采結束，未發(fā)生底板突水。

表3 驗證鉆孔出水量及注漿量Table 3 Verified water output and grouting volume of the borehole

5 結論

a.利用傅里葉級數(shù)擬合和分解了大地電磁采集數(shù)據(jù)，通過波形分量識別巖層的物性特征，并試驗和總結出賦值算法，量化了巖層富水性指數(shù)的影響因子。

b.根據(jù)水的介電常數(shù)異常和有益于巖層富水的巖性特征，建立了對水敏感的富水性指數(shù)模型，突出了富水區(qū)在大地電磁信號上的響應特征，并將該方法用于大地電磁信號的正演處理，開發(fā)出了大地電磁探測裝備和數(shù)據(jù)處理程序。

c.試驗探測了煤層底板巖層的富水性，根據(jù)富水性指數(shù)(顏色差別)，可以分辨出含水層和隔水層，和鉆孔資料進行對比，層位基本一致；根據(jù)含水層的富水性和連通情況，評價了注漿加固效果，經鉆探驗證和實際符合較好。

d.研制的儀器和探測方法在地下富水區(qū)和導水通道探測、注漿堵水、老空水污染治理、深部資源開發(fā)等領域具有廣闊的應用前景。

e.探測試驗大部分是在鄭州礦區(qū)完成，對全國其他地區(qū)頂板水、老空水、斷層水的探測尚需要進一步試驗研究；深部水文地質條件探測，需要借助地熱井工程，和傳統(tǒng)的音頻大地電磁法進行對比試驗。富水性指數(shù)模型影響因子可以借助深度學習理論，從波形上識別更多的物性信息，完善影響因子的賦值方法；更需要在數(shù)據(jù)分析的基礎上，完善相關的理論研究。