三維瞬變電磁法在采煤工作面底板注漿加固效果評價中的應用研究

韓云春，趙宏達，余國峰，黃 剛，羅 勇

（1.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽淮南；2.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥；3.深部煤炭安全開采與環境保護全國重點實驗室，安徽淮南；4.淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽淮南）

當前，礦井開采深度不斷加深，導致涌水災害威脅不斷增加。為確保工作面的安全回采和提高煤層開采上限，精準探測底板異常區成為一項至關重要的任務。其中，核心挑戰是加強對工作面覆巖底板破壞規律的研究，并準確判斷導水裂隙帶的位置。近來，利用先進的瞬變電磁法獲取煤巖底板賦水性變化信息已經取得令人矚目的成果。相較于其他方法，瞬變電磁法在偵測含水結構、富水區等低電阻異常區域方面具有明顯優勢，有效地支持工作面的水文勘測和巷道預探。因此瞬變電磁法在煤層開采中的應用能夠提供關鍵的數據支持，指導煤礦實施安全生產和有效的防治水工作[1]。

瞬變電磁法作為一種以巖石導電性差異不同進行探測的地球物理電磁感應方法，對地質結構探測反應較為準確，在礦井探測領域應用廣泛。周官群等[2]分析了金屬干擾對TEM數據的影響，通過在有和沒有金屬干擾的情況下都進行了水槽模型實驗，表明這種干擾會顯著影響TEM測量并導致錯誤異常。實際應用進一步證明，該方法可以有效減少隧道內支架和其他金屬工具引入的低電阻率干擾；于景邨等[3]研究出應用于井下探測巷道周圍空間不同位置、不同形態突水構造瞬變電磁探測裝置、探查技術及資料處理和解釋方法。采用礦井瞬變電磁法在多個礦井探測深部采場突水構造進行了實際應用，通過井下注漿或疏放降壓鉆孔驗證, 證明瞬變電磁法探查深部采場突水構造位置是非常有效的；岳建華等[4]認為張量電阻率測量是掌握和認識電各向異性特征的重要方法途徑, 煤礦井下具有開展張量電阻率測量的獨特優勢。李志旋[5]等采用矢量有限元法實現了三維電磁擴散場數值模擬,并成功將其應用在大地電磁的正演研究中；程久龍[6]等研究表明感應電動勢、采樣時間、視電阻率、探測距離和對數坐標下的感應電動勢衰減速率可作為巖層富水性預測所用特征，LBA-BP 方法結合相應特征可以實現巖層富水性定量預測，提高了礦井瞬變電磁法對巖層富水性的解釋精度；胡雄武等[7]提出視電阻率全方位探測方法，表明在全方位視電阻率反演過程中，單巷測深數據與雙巷透視數據之間能夠相互約束,促使低電阻率球狀模型的準確歸位，體現了全方位視電阻率探測方法的優越性。

本次根據礦方需求和現有工作面條件，將進行針對底板的瞬變電磁探測，主要為了驗證注漿鉆孔的效果。以某煤礦7401 工作面為研究區域，通過瞬變電磁法對水文地質情況的探測，綜合以往的數據分析賦水體狀況，判斷注漿前后低阻區異常情況。

1 方法簡介

1.1 方法原理

三維瞬變電磁法是地球物理勘探技術的一種，通過施加瞬時電磁場，測量地下介質中的電阻率變化，從而獲得關于地下結構和礦產的信息。該方法基于Maxwell 方程，通過求解泊松方程和拉普拉斯方程，得到地下介質的電導率分布。其基本原理與瞬變電磁法原理類似，在地面布置一組發射線圈，通過向地下發射脈沖電磁場，使得地下介質中的自由電荷發生運動，產生渦流（見圖1）。這些渦流在地下介質中傳播，當它們到達接收線圈時，被接收線圈測量到，從而可以反演出地下介質的電導率分布情況(見圖2)。

圖1 半空間中的等效感應電流圖

圖2 瞬變電磁法原理圖

1.2 數據處理

在三維瞬變電磁數據處理中，選取MTEM（Multi-transient Electromagnetic）系統作為數據處理軟件。數據處理在從測量數據中提取有意義的信息和解釋地下地質方面起著至關重要的作用。它涉及數據校正、反演、二次處理和解釋，從而全面了解地下結構和儲量。

2 應用實例分析

2.1 工作面地質概況

選取的某煤礦7401 工作面位于采煤區的東南方向，煤層從東部延伸至西11 采區三條上山。工作面地勢平均在105 m 左右，井下深度在627.9～495 m，地面上無房屋、公路等基礎設施，但存在農田等耕作地，采煤時可能對上部地面造成塌陷、陷落等地質災害。此次工作面回采煤為二1 煤層，其煤層厚度約為5.8 m；煤層傾角平均為27°左右；采煤工作面上順槽長度為794 m（平距），其工作面下順槽長度為781 m（平距）；采煤區可采煤116 760 m2，地質儲量108 萬噸。

2.2 現場工程布置

現場探測工作主要是對工作面底板注漿加固前后進行瞬變電磁數據的采集，并且兩次布置探測點位置相同。瞬變電磁現場分別在上順槽和下順槽依次布置探測點，上順槽從E4 測點開始探測，于上順槽與切眼交口處結束；下順槽探測起點位于下順槽與切眼交口處，探測終點位于C 測點（L 測點向切眼方向45.8 m）處。上順槽和下順槽測線均為10 m 左右一個探測點。上順槽和下順槽測點探測9 個方向，上順槽和下順槽的探測方向分別為內幫底板15°、內幫底板30°、內幫底板45°、內幫底板60°、內幫底板75°、底板90°、外幫底板75°、外幫底板60°、外幫底板45°（見圖3 所示）。

圖3 上順槽和下順槽探測方向示意圖

2.3 注漿前后探測結果

根據瞬變電磁探測結果，進行鉆孔注漿前存在4個相對低阻異常區，為SY1～SY4 異常區。如圖4 所示，SY1：靠近下順槽，延伸深度為底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰巖層位，局部富含巖溶裂隙水；SY2：靠近下順槽，向面內延伸約58 m。延伸深度為底板向下30～40 m，位于底板石炭系太原群灰巖層位，為局部富含巖溶裂隙水；SY3：靠近下順槽，延伸深度為底板向下20 m 附近，位于底板石炭系太原群灰巖層位，局部富水區；SY4：靠近下平巷，位于L10 點附近，延伸深度為底板向下20～60 m，位于底板石炭系太原群灰巖層位，局部富含巖溶裂隙水。

圖4 注漿前底板三維瞬變電磁立體圖

經過鉆孔注漿后，對比分析以往瞬變電磁探測結果，存在2 個相對低阻異常區，定義為SY1、SY2 異常區。如圖5 所示，SY1：靠近工作面下順槽，L9 測點附近，煤層底板下方20～40 m 層位附近。位于底板石炭系太原群上段灰巖層位，局部富含巖溶裂隙水；SY2：靠近工作面下順槽，L10 測點之間，工作面外煤層底板下方20～40 m 層位。主要位于底板石炭系太原群上段灰巖層位，局部富含巖溶裂隙水。

圖5 注漿后底板三維瞬變電磁立體圖

2.4 對比驗證分析

結合前期的地質水文特征，對比驗證鉆孔注漿前后的工作面底板異常區情況，利用MTEM對探測數據進行處理，得到鉆孔注漿前后三維瞬變電磁立體圖。注漿前進行的工作面瞬變電磁底板異常區探測，共出現四個低阻異常區，結合地質水文資料進行分析，底板向下延伸20～60 m 附近，局部富含巖溶裂隙水；鉆孔注漿后對工作面瞬變電磁底板異常區探測得出，底板加固后0～70 m 深度范圍內整體視電阻率值較高，只存在2 個相對低阻異常區，位于底板石炭系太原群上段灰巖層位，分析為局部富含少量巖溶裂隙水。

綜合鉆探驗證前后的底板瞬變電磁探查，發現工作面鉆孔注漿前，底板出現四個低阻異常區且位于底板向下20～60 m 附近，通過繪制出的三維瞬變電磁立體圖，判斷低阻區比較明顯，可能發生突水危險，需要進行鉆探驗證。經過工作面鉆孔注漿后，綜合地質情況，底板只出現兩個低阻異常區，分布于底板向下20～40 m 附近，通過三維瞬變電磁立體圖，分析可得低阻區域發育不明顯，突水危險性較低，不影響回采。

3 結論

（1） 此次利用兩次三維瞬變電磁探測，首先對7401 工作面進行初探，在底板改造前圈定富水異常區范圍，為鉆探施工提供標靶，完成注漿改造后，再利用三維瞬變電磁驗證注漿改造效果，保障工作面安全回采。（2） 本文采用對比驗證的方式，利用瞬變電磁探查低阻水性強的特性發現異常區，通過鉆探驗證異常后進行鉆孔注漿加固，證明瞬變電磁法對于工作面底板富水區情況探測的可行性，為提前預防突水等災害的發生提供依據。