切片技术在煤矿回采工作面瞬变电磁法探测中的研究与应用＊

牟 义

（1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013）

由于煤矿多年的开采，在矿区内及周边形成了许多地下巷道和采空区，在开采的同时也使地表构造发生了很大的改变，地表形成很多裂缝和大小不等的陷落坑。这样就使地下水的补给由少量入渗补给转变为直接的入渗补给。地面的大气降水通过地表裂隙、坑洞直接渗入地下，巷道、采空区提供了储水空间，有利于地下水的汇集存储。碾盘梁煤矿在1136工作面掘进过程中，1136进风巷道和回风巷道距离3-1带式输送机大巷100～400m 之间出现大量淋水、滴水现象，尤其在1136回风巷道距离3-1带式输送机大巷100～200 m 之间淋水严重，且在1136进风巷道打钻有出水现象，在1136工作面揭露的断层位置也有出水现象。以该煤矿1136工作面区域探测为例，通过切片技术分析工作面区域顶板富水性强弱的不同电阻率响应特征，形象、立体、直观展示了1136工作面顶板不同层位的富水性，大大增强了工作面区域全方位探测准确性。

1 工作面概况和地球物理特征

该矿井田含可采煤层9层，分别是2-1下、2-2上、3-1上、3-1下、4-1下、4-2中、5-1上、5-1、6-2中煤层，井下物探施工工作面为3-1上煤层的1136 工作面。3-1上煤层厚度2.72～4.01m，基本在3～4m 之间，顶板以泥岩、砂质泥岩为主，局部为粉砂岩、细砂岩，底板以砂质泥岩、泥岩为主，局部为粉砂岩，3-1上煤层上距2-2上煤层15.02～42.73m，平均30.48m。1136工作面推进长度1030 m，长度200 m，采高3.20m。设计采用综采一次采全高采煤方法，支撑掩护式液压支柱支护，工作面采用后退式回采，顶板采用全部冒落法管理。

当存在煤层采空区 （积水或不积水）及岩层岩溶、裂隙、断层破碎带等构造 （即地质异常体）时，地质异常体及其附近导电性分布将发生明显变化 （物性异常）；如果构造内不含水，则其导电性较差，使局部电阻率值增高；如果构造含水，由于矿井水的矿化度较高 （实测地下水矿化度8.13～20.13g／L），因其导电良好，相当于存在局部低电阻率值地质体。岩层或煤层的富水情况将决定其电阻率的高低情况。通过瞬变电磁测深法探测煤层上方岩层电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和富水性，可以判断采空区、断层等构造分布及富水情况，这是本次瞬变电磁法探测岩层富水性的物理前提。

2 工作方法

本次探测采用加拿大PROTEM47系列瞬变电磁仪，该设备专门为矿井井下顶底板探水、超前探测设置了回线边长2 m 的小线框，勘探最大深度130～150m，并配有专门的解释软件，在国内许多矿井进行了实际应用，取得了较好的地质探测效果，是目前国内外比较理想的矿井水探测仪器。

若发射线框和接收线框水平放置于巷道，则探测巷道正上方顶板或正下方底板一定范围的电阻率分布；若发射线框和接收线框倾斜放置于巷道，则探测巷道侧上方顶板或侧下方底板一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断顶板或底板岩层的富水性。

3 技术方案

根据1136综采工作面实际采掘条件，在1136综采工作面回风巷道和进风巷道各设计3个不同的探测方向。回风巷道按90°、40°、25° （发射线圈平面法线方向与水平面的夹角）的探测方向设计，进风巷道按90°、40°、25°设计，基本上全部覆盖了1136综采工作面3-1上煤层顶板各岩层。顶板岩层的探测范围覆盖情况如图1所示。

图1 1136综采工作面物探测线方向示意

4 资料处理与解释

4.1 资料处理

TEMINT 为瞬变电磁法的数据处理和解释开发的专用软件，适用于不接地磁源、半空间和全空间、矩形发射框移动源的中心和偶极方式下的瞬变电磁数据处理。该软件采用了近年来最新技术和方法，具有精度和分辨率高、使用简单等特点。该软件包采用模块式结构，每个模块可以独立执行不同的功能。TEMINT 主要功能：

（1）数据整理转换：包括数据归一化处理、极性校正、测线和测点编辑、磁场计算等；

（2）数据处理：主要是计算全程视电阻率。包括噪音剔除、畸变校正、发射框校正和关断时间校正等；

（3）数据解释：视电阻率的一维正反演，电阻率成像变换、拟二维电阻率剖面和电阻率顺层切片等。

4.2 解释依据

结合1136工作面回风巷道和进风巷道掘进过程中实际揭露的地质情况，根据本次实测的岩层电性特征，结合实测电阻率分布特点，把含水性及采空区与电阻率的一般对应关系分为4个级别：

（1）电阻率小于6Ω·m：富水性相对强到较强，可能是由于含水强或较强含水层 （或采空积水区）引起；

（2）电阻率介于6～12Ω·m：富水性中等，可能是由于一般含水层 （或一般采空积水区）或低阻岩体引起；

（3）电阻率介于15～60Ω·m：富水性相对较弱，是正常岩层反映；

（4）电阻率大于130Ω·m：不含水或弱含水，可能是由于不含水构造 （或不含水采空区）或高阻岩体引起。

4.3 资料解释

根据地层、采空区的电性特征，综合分析各测线不同角度的电阻率断面图，对1136工作面煤层顶板含水层及采空区层位进行分析，形成不同高度的顺层切片图，实现对水文地质物性条件、含水异常区及采空异常区进行地质解释，对水文地质条件进行综合评价。

（1）单一切片。图2为1136工作面上方30m处的矿井瞬变电磁法的顺层切片图，其投影位置都与采掘工程平面图中1136工作面位置重合，投影的坐标原点位于1136回风巷道与3-1带式输送机大巷交点处，上部横坐标表示沿1136进风巷道距离3-1带式输送机大巷的长度，下部横坐标表示沿1136回风巷道距离3-1带式输送机大巷的长度；纵坐标表示沿3-1带式输送机大巷方向距离1136回风巷道的长度，该图位于2-2煤层所在的层位。平面图中深色实线框代表圈定的异常区范围；平面图中右侧色标不同颜色代表不同电阻率值。

图2 叠加CAD 图上的1136工作面上方30m 处顺层切片图

在图2中发现2处低阻异常和2处高阻异常，分别命名为低阻异常Ⅰ、低阻异常Ⅱ、高阻异常Ⅰ和高阻异常Ⅱ。根据探测资料，结合巷道已经揭露的地质情况和岩性变化分析，推断低阻异常Ⅰ为富水性中等，可能由于2＃煤层所在层位砂岩含水层引起；推断低阻异常Ⅱ局部富水性中等，局部富水性较强或强，可能由于2＃煤层所在层位砂岩含水层引起，也不排除由于2＃煤层采空区积水引起；推断高阻异常Ⅰ和高阻异常Ⅱ为高阻岩体 （或采空异常），也不排除由于含水较少的2＃煤层采空区引起。

（2）立体切片。图3为1136工作面上方不同层位矿井瞬变电磁法探测电阻率切片图组合成的立体图，其上方切片图投影位置都与下方1136工作面位置重合。坐标原点位于1136回风巷道与3-1带式输送机大巷交点处，X 轴方向表示沿1136回风巷道 （或1136进风巷道）距离3-1带式输送机大巷的长度，Y轴方向表示沿3-1带式输送机大巷距离1136回风巷道的长度；Z 轴方向表示垂直1136工作面顶板向上的深度。综合6 个平面的电阻率分布特征以及1136工作面地质构造情况，将6个平面图的不同电阻率区域投影到1136工作面上，以1136 工作面2 条断层、2 条等高线以及1条人为设定边界线将1136工作面投影区域划分为6个区，分别为A 区、B 区、C 区、D 区、E 区、F 区。其中A 区和B 区分界线为1 号分界线（1136工作面西北部揭露的断层位置），B 区和C区分界线为2号分界线 （根据立体图推断含水体边界人为设定的边界线），C 区和D 区分界线为3号分界线 （1136工作面中东部揭露的断层位置），D区和E区分界线为4号分界线 （+1340等高线），E区和F 区分界线为5 号分界线 （+1342 等高线）。

图3 1136工作面上方探测立体切片图

由6个平面切片可以推断出1136综采工作面上方3号断层分界线西部区域含水性中等到强的异常区范围约占60%，也即含水层普遍含水，富水性不均匀。C区上方主要分布在断层的西部，面积较大，异常范围较大，砂岩水富水范围较大，局部较强，易发生水力联系，存在突水的可能性，应引起重视；B区富水范围及程度仅次于C区，但上方60m范围之外存在着强或较强砂岩富水补给区，与B 区砂岩水可能产生水力联系，应引起重视；推断A 区存在砂岩含水层，也应引起注意；D 区和E区推断为含水较少的高阻岩体，也不排除为含水较少的2＃煤层采空区，应打钻验证；F 区为正常岩层。

5 钻探验证

根据1136回采工作面物探结果设计了28个工作面内部富水区及采空区疏放水钻孔，钻孔具体位置见图4，图中显示钻孔位置为终孔位置，低阻异常区域设计了22个钻孔，高阻异常区域设计了6个钻孔。Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z17、Z18、Z19、Z26、Z28 等14 个钻孔出现了不同程度的涌水，占到低阻异常区域钻孔数量的64%的钻孔出水，经分析为上层砂岩水。本次物探成果为疏放水钻孔设计圈定了靶区，提供了较可靠设计参考依据，并且根据钻探成果充分验证了切片技术在圈定异常区方面的可靠性。

图4 1136工作面钻孔设计图

6 结语

（1）对于工作面区域顶板富水性探测建议采用瞬变电磁法，探测深度可达150m，可覆盖工作面顶板上方大约80 m，一般采用偶极装置，测量点距一般为10m，发射电流一般3～4A，发射频率范围0.25～225 Hz，通过优化这些参数，能充分满足了探测深度和分辨率的要求，为工作面区域精细探测提供了依据。

（2）以1136工作面探测为例，通过切片技术形成平面图和立体图，从电阻率特征来看，该1136综采工作面上方3号断层分界线西部以低阻异常为主，富水程度中等，局部富水性强或较强；3号断层分界线东部以高阻异常为主，富水程度较弱或不含水。推断低阻异常以砂岩水为主，在2＃煤层不排除存在老空区积水的可能。

（3）通过在物探区所圈定的低阻异常区布置疏放水钻孔，约有64%的钻孔出水，充分验证了切片技术在圈定异常区方面的可靠性。

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