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摘 要：本文运用三种勘探方法对同一工作面进行探测，利用瞬变电磁法对低阻充水区域反映灵敏、定向性好的优点，对彭庄煤矿1309工作面进行富水性探测，同时利用并行直流电法井下抗干扰能力强，采集数据量大，数据稳定性好的特点，同步探测。结合两种探测方法的结果，对彭庄煤矿1309工作面富水性进行综合分析。另外，采用无线电波透视CT技术探查工作面内地质构造赋存情况及工作面内落差大于1/2煤厚的隐伏断层及薄煤区赋存情况。运用综合物探技术开展地质探测工作，提高了探测结果的准确度，更大地避免了煤矿可能发生的矿井地质灾害，对提高煤矿经济效益有重大意义。关键词：瞬变电磁法;并行直流电法;无线电波透视法;富水性;地质构造;
1 工程概况
彭庄煤矿1309工作面，目前主要受顶、底板砂岩水及底板三灰水的影响，同时1307工作面采空区的富水性也会对1309工作面的回采构成威胁。为调查1309工作面内的地质构造及顶、底板的富水性，由山东鲁能菏泽煤电开发有限公司彭庄煤矿及福州华虹智能科技开发有限公司共同组织对1309工作面内地质构造及顶、底板的富水情况进行探测。1309工作面外段两巷总长约为2000m，联络巷长度约为260m。
采用瞬变电磁法、并行直流电法、无线电波透视CT成像法来探查工作面内地质异常区及富水异常区的赋存情况。主要探测内容为：(1)利用瞬变电磁法探查工作面顶板方向60m深度范围内岩层富水情况;(2)利用瞬变电磁法及直流电法探查工作面底板方向60m深度范围内岩层富水情况;(3)采用无线电波透视CT技术探查工作面内地质构造赋存情况;(4)采用无线电波透视CT技术探查工作面内落差大于1/2煤厚的隐伏断层及薄煤区赋存情况。
2 探测原理
2.1 瞬变电磁法探测原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发射线圈上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程(见图2-1)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场信号，由接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现良导体的存在(如图2-1)。
图2-1 良导体瞬变电磁感应原理图
并行直流电法仪采用智能电极，各电极通过网络协议与主机保持实时联系，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于供电状态(即供电电极A或B)，否则一直处于在电压采样状态(即测量电极M)，并通过通讯线实时地将测量数据送回主机。通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程没有空闲电极出现。所采集的数据可进行自然电位、视电阻率和激发极化参数等数据处理。根据电极观测装置的不同，并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。AM法采集数据可以进行二极装置视电阻率的反演, 三极装置的视电阻率反演,如温纳三极法,高分辨地电阻率法等。ABM法采集数据可以进行四极装置视电阻率反演，如温纳四极、偶极-偶极、微分装置等。
2.3 无线电波透视法基本原理
无线电波透视法，又称坑透法，是探查工作面内部地质构造发育、煤体结构与厚度变化的一种矿井物探方法。电磁波在地下煤岩层中传播时，由于煤岩介质电性(电阻率和介电常数)的不同，因此对电磁波能量的吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，同时当传播方向上遇到构造界面时，电磁波在界面上将产生反射和折射，造成能量损耗，致使接收巷道中接收不到或仅接收到部分电磁波透射信号，从而形成透射异常。通过对透射异常的对比分析、反演成像等处理，确定无线电波透视异常区。最后结合相关地质资料及经验，对透视异常区作出合适的地质解释。该方法可用来预测预报采煤工作面内部的地质构造、煤体结构与厚度、水文地质等影响条件，为工作面的安全高效回采提供决策依据。
3. 现场工作技术方法
3.1 瞬变电磁探测井下观测系统布置
本次瞬变电磁探测于2012年08月31日完成现场数据采集，上顺槽测线长1000m(F42至联络巷口)、下顺槽测线长880m(F15至联络巷口位置)。根据地质任务要求，上顺槽及下顺槽分别设计六个探测方向，每10m一个测点，探测现场物理测点布置见图3-1。
图3-1 1309工作面瞬变电磁探测现场物理测点布置图
1309工作面上顺槽及下顺槽现场数据采集自2012年09月01日至2012年09月02日完成。上顺槽测线自导线点F38处开始，共采集12站数据;下顺槽探测自导线点C104处开始至F15处，共采集15站数据;每次共布置18个电极，其中16个为测量电极、一个N极、一个B极，每相邻两个测量电极之间的间隔为4m，每站跑3次极。本次探测导线点F38+750m后面的巷道由于受巷道底板积水等原因无法进行探测;1309工作面下顺槽底板探测施工范围为导线点C104至F15，探测范围见图3-2。
图3-2 1309工作面上、下顺槽底板现场探测范围示意图
无线电波透视现场数据采集于2012年09月02日完成。在1309工作面上顺槽布置20个发射点，每个发射点接收11个实测场强值;在1309工作面下顺槽布置21个发射点，每个发射点接收11个实测场强值。本次坑透发射点间距为50m，接收点间距10m，探测现场测点分布如3-3图所示。
图3-3 1309工作面无线电波透视探测现场测点分布图
4.1 瞬变电磁法结果解析
经软件处理可获得1309工作面顶、底板瞬变电磁探测视电阻率剖面图，图中不同的色调表示不同的视电阻率值，并且遵循色调从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高的规律，具体如图4-1、4-2所示。
图4-1 1309工作面上顺槽顶、底板探测联合分析视电阻率等值线图
图4-2 1309工作面下顺槽顶、底板探测联合分析视电阻率等值线图
4.2 并行电法结果解析
图4-3为1309工作面上顺槽巷道底板应用YDZ16(A)矿用并行直流电法仪所获得底板方向视电阻率等值线图，颜色自蓝色向红色过渡，冷色表示低阻异常;图4-4为1309工作面下顺槽底板直流电法探测视电阻率等值线图。如图所示，YC1、YC2、YC3、YC4、YC5为上顺槽底板相对富水异常区，XYC1、XYC2、XYC3为下顺槽底板相对富水异常区。
图4-3 1309工作面上顺槽底板电法探测视电阻率等值线图
图4-4 1309工作面下顺槽底板电法探测视电阻率等值线图
4.3 无线电波坑透结果解析
图4-5为1309工作面上顺槽实测场强曲线图，图4-6为下顺槽实测场强图，图4-7为1309工作面CT成像图。如图所示，1、2、3、4、5号异常区为本次无线电波勘探所示的圈定的预测地质异常区。
图4-5 1309工作面上顺槽实测场强曲线图
图4-6 1309工作面下顺槽实测场强曲线图
图4-7 1309工作面CT成像图
经过瞬变电磁探测各条测线综合处理结果、并行电法各条测线综合处理及无线电波坑透结果综合分析可得出1309工作面上、下顺槽顶板瞬变电磁探测异常区域提取图(见附图1)，1309工作面上、下顺槽底板瞬变电磁及网络并行直流电法探测异常区域提取图(见附图2)，1309工作面无线电波透视CT成像地质解释成果图(见附图3);根据这些成果图可得相关结论。
5.1 结论
根据1309工作面上顺槽和下顺槽的地质资料，结合本次综合探测结果，得出如下结论：
(一)富水性探测结论：在1309工作面顶板方向上，相对低阻异常区主要是在上顺槽距离探测起点(导线点F42)690～860m，下顺槽距离探测起点(导线点F15)150～230m、320～350m、480～610m和660～710m位置，这些区域推断为1309工作面顶板富水相对较强的异常区,根据电阻率特征定义富水等级II，其它的低阻异常区域的视电阻率值相对较高，存在富水性的可能性相对较低，定义富水等级III。
在1309工作面底板方向上，出现视电阻率值异常区域主要是在上顺槽距离探测起点(导线点F42)42～130m、600～660m和740～770m，下顺槽距离探测起点(导线点F15)510～660m和690～780m位置，为1309工作面底板砂岩、灰岩富水性相对较强的区域，定义富水性等级II，其它的低阻异常区域的视电阻率值相对较高，分析底板砂岩、灰岩富水相对较弱的区域，定义富水等级III。
(二)构造异常情况探测结论：在1309工作面内，上顺槽距离F38点900～970m以及下顺槽距离F15点560～650m范围内为断层影响区，其异常区异常程度H>煤厚,断层及裂隙带发育、局部煤层有所变薄，对工作面的回采影响较大;上顺槽距离F38点830～880m以及下顺槽距离F15点140～250m范围内为断层影响区，该异常区异常程度H>1/2煤厚,断层及裂隙带发育、局部煤层有所变薄，对回采影响较小;下顺槽距离F15点660～740m范围内，为煤层变薄影响区，该异常区异常程度H>1/2煤厚,局部煤层有所变薄，对回采有一定影响，异常区可靠。
根据本次探测结果，结合矿方提供的地质及水文资料，综合评价1309工作面顶、底板整体富水性一般，构造复杂程度中等。
5.2 建议
(1)根据《煤矿防治水规定》的相关规定：物探方法作为煤矿现场工作的辅助手段，不能代替钻探，采取物探和钻探相互结合的方式才能满足实际生产需要。因此建议要针对低阻异常区进行钻探，同时对地质分析可能存在水害隐患的区域施工钻孔，确保生产安全。
(2)工作面回采过程中，应加强地质编录，可进一步提高对待采区域的探测解释精度;
(3)工作面回采过程中，如发现水文异常或构造异常，应及时通知相关技术人员，以便采取加密观测等处理措施。
附图1 1309工作面顶板瞬变电磁探测异常区域提取图
附图2 1309工作面底板瞬变电磁及直流电法探测异常区域提取图
附图3 无线电波透视CT成像地质解释
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