煤矿井下综合物探超前探测技术与应用①

李 健 许海涛 李永军

(1.山西晋城煤业集团赵庄二号井，山西晋城 048205;2.华北科技学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

随着煤炭开采由浅部向深部发展，构造探测也出现了一些新情况、新问题。由于深度增加，地表勘探的精度降低，发展井下近距离探测成为目前研究开发的主要课题。巷道掘进前方断层及其破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性的快速准确预测、预报对巷道安全高效掘进和预防水害事故的发生有着非常重要的作用［1］。近年来发展出来的矿井瞬变电磁技术凭借其体积效应小、探测方向性强、分辨率高、对含水低阻体敏感、施工效率高等特点，通过设计适合矿井巷道条件的装置形式，可以有效的解决工作面煤层顶底板、回采煤层及巷道前方构造赋水性状态。特别是在矿井巷道超前探测方面，瞬变电磁法有着无可比拟的优势［2］。

1 基本原理

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(二次场)［3］。该二次场的大小及衰减速度与地下地质体的导电性有关，如果岩石裂隙发育丰富，含水量较大，导电性好，则二次场衰减慢;反之，二次场衰减较快。根据二次场衰减曲线的特征就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。美国地球物理学家M.N.Nabighan对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值最先位于紧靠发射回线的地表下，随着时间的推移，该极大值沿着与地表呈30o倾角的锥形斜面(如图1)向下、向外移动，强度逐渐减弱。

图1 地下感应电流环带分布图

1.2 高密度电法

高密度电法是一种阵列勘探方法，多用于中浅层的工程勘察当中。与浅层地震、探地雷达等浅层勘探方法相比，高密度电法具有成本低、受场地干扰小等优点［4］。由于这些优点，高密度电法在路基勘察、岩溶塌陷、堤坝渗漏、水文地质和工程地质勘查等方面广泛应用，并取得了巨大成功。高密度电法是一种阵列勘探方法，地面电极一次布设完成，布设完后统一进行数据观测。与常规电法相比，高密度电法数据实现了自动化或半自动化的数据采集，大大地提高了工作效率。高密度电法是常规电法电极布设和观测形式的改变，原理上没有差别。

2 探测技术

2.1 瞬变电磁探测技术

采用迎头超前探测的方案，在局部对巷道侧邦及顶底板进行探测时，则采用偶极装置的方案进行构造及富水性探测研究。掘进巷道前方构造及富水性探测研究超前探测方案，主要采用多方向水平探测，使探测范围形成一个以迎头为中心点的扇形区域。探测方向如下图2所示。为了了解顶底板情况，也可采用垂直方向的探测方案，如下图3所示。

图2 水平方向探测方式布置示意图

图3 垂直方向探测方式布置示意图

2.2 高密度电法探测技术

矿井高密度电法探测采用三级超前探测法，在工作面顺槽、切眼、泄水巷掘进迎头与瞬变电磁进行同期探测。井下探测施工装置如图4所示:

图4 矿井高密度电法施工装置图

2.3 地球物理响应特征

从电性上分析不同地层的电性分布规律为:煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件［5］。

3 应用实例

以赵庄二号井1302工作面顺槽超前探测为例，1302工作面为带压开采工作面，受奥陶系灰岩承压水影响较大，且工作面地质和水文地质条件较为复杂。工作面处于承压水区域，采掘时会受到威胁，特别是在庄头正断层等构造附近，受采动影响形成裂隙，会造成工作面涌水异常。根据实见水文地质资料，13041巷掘进至东回以南300 m时涌水量增大，淋水点以锚索(杆)孔、顶板裂隙为主，正常涌水量15～25 m3/h、最大50 m3/h; 30～45天疏干。为避免水灾水害事故发生，保证工作面安全回采，采用矿井瞬变电磁法及高密度电法对1302工作面顺槽进行超前探测。第八轮探测地点为1302泄水巷迎头。具体位置为:1302泄水横川北22.6 m处。

3.1 探测成果

采用矿井瞬变电磁和矿井高密度电法对1302泄水巷迎头进行联合探测。1302泄水巷由于巷道较短且迎头处有掘进机影响，对本次探测影响较大。图5为瞬变电磁水平方向探测成果图，图6为高密度电法探测成果图，从探测成果图中只看出迎头前方28m范围内岩体电阻率值较低，且在20 m左右范围迎头偏右方岩体富水性相对较高些，现场掘进过程中应加强注意(图7)。

图5 瞬变电磁水平方向探测成果图

图6 高密度电法探测成果图

图7 1302泄水巷迎头超前探测成果现场对照图

3.2 探测成果工程验证

在实际掘进前，对本次探测成果所圈定的异常区，进行了进一步的钻探考证，以防止矿井水害的发生。根据现场钻探及掘进揭露情况分析，本次探测异常区为1302泄水巷横川与DF2探巷贯通点处的积水区，该区域与1304采空区有连通关系，有大量积水积存在DF2探巷内。矿方在贯通前对该巷进行了启密闭和排水工作，保证了贯通安全，与物探结论基本相符。

4 结论

矿井综合物探方法在井下巷道超前探测方面具有施工方便、对施工空间要求不高、成本低、技术比较成熟、效率高的优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进。

矿井综合物探方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常，可提前预报前方断层及破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进。同时瞬变电磁法装置简便、成本低、效率高，能够短时间内给出结果，为巷道的快速掘进节约了大量的时间，提高了煤矿的工作效率，因此在矿井超前探测方面值得推广。

［1］ 郭纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测［J］.地震地质，2006，9(3):456－462

［2］ 姜志海，岳建华，刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用［J］.工程地球物理学报，2007，4(4):291－293

［3］ 牛之琏.时间域电磁法原理［M］.长沙:中南大学出版社，2007

［4］ 董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用［J］.地学前缘，2003，10(1):171－176

［5］ 李运启，李小明，李永军，王洪德.顶板砂岩富水性的矿井瞬变电磁法探测［J］.地震地质，2009(4):39－42