摘 要：朝阳煤矿3205通道在掘进过程中即将遇到凫山支断层，为了查明断层位置、赋水和导水情况，采用了矿井瞬变电磁法和震波超前探测法(MSP)相结合的方法进行探测。通过井下探放水钻孔及实际揭露资料验证，该方法在巷道掘进前方超前探测中应用效果较好，能为巷道的安全掘进提供较可靠的地质资料。
　　关键词：矿井瞬变电磁法;震波超前探测法;超前预报
　　朝阳煤矿3205通道在掘进过程中即将遇到凫山支断层，该断层落差为300m左右。由于施工巷道底部距奥灰仅100多米，受断层影响，奥灰的顶部可能会高于施工巷道100多米，而奥陶纪灰岩的富水性较强，同时断层容易形成导水通道，进而影响巷道的正常掘进。为查明3205通道迎头前方凫山支断层的位置及其富水情况，该矿采用了矿井瞬变电磁法和震波超前探测法相结合的探测方法。
　　1 探测原理
　　1.1 瞬变电磁探测原理
　　瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线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。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向工作面传播，由接收回线接收二次磁场，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。良导体不存在时，将观测到快速衰减的过渡过程;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，从而发现导体的存在。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈”扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
　　1.2 MSP探测原理
　　矿井震波超前探测(MSP)，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的，爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。
　　2 现场探测布置及信号采集
　　2.1 瞬变电磁法
　　2.1.1 工作装置的现场布置
　　根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准迎头前方进行探测，便可反映迎头前方的地质异常。根据这个原理结合本次探测的目的，对迎头超前探测时可将重叠回线装置平行于巷道迎头，使线框平面的法线与迎头垂直;对顶板和底板进行探测时可沿煤层将线框与迎头顺层方向倾斜一定的角度，确保线框平面的法线指向巷道顶底板。
　　2.1.2 探测区域及完成工作量
　　探测区域为3205通道当日迎头，共布置11个测点，每个测点探测4个方向，分别为斜上45°，顺层，斜下45°以及垂直底板。探测4个方向100m范围内的富水情况。完成观测窗口数40，物理点数总计11×4×40=1760。
　　2.2 矿井震波超前探测法
　　2.2.1 MSP测线布置与数据采集
　　2011年1月14日在3205通道迎头完成数据采集工作，以前方断层为主要探测目标，采用了矿井震波超前探测技术(MSP);现场布置24个炮点和两个检波点，其中有效炮点数为21炮，炮点和检波点都布置在3205通道的右帮，共采集126组数据。
　　2.2.2 矿井震波超前探测(MSP)现场布置
　　本次矿井MSP探测在迎头有限空间内展开，采用炸药震源。受现场条件限制，现场测线布置时，激发点炮孔布置在巷道右帮，总共24炮，检波点2个，分别为C1、C2，两个检波传感器C1、C2都布置在右帮，其中C1传感器距离P24号炮点15m，C2距迎头P1点68.95m。检波传感器及炮孔顺序和方位如图1所示。炮点1-24布置在右帮，设计炮间距2m。现场测量炮间距，后续计算以实际距离计算。　　 　　本次探测于2011年1月14日完成现场数据采集任务，数据采集时设计24炮，废炮数为3炮，所以总共采集到21炮有效数据。
　　3 数据处理及结果解析
　　3.1 瞬变电磁法
　　3.1.1 瞬变电磁数据处理
　　本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪配套的MTem2.0处理系统，其处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—正反演计算—结果成图。
　　3.1.2 瞬变电磁结果解析
　　通过矿井瞬变电磁专业软件处理后，得到如图2的结果。这是3205通道当日迎头前方视电阻率拟断面图，图中不同的颜色代表不同阻值的变化，表示迎头前方一定深度上电性横向变化的情况，遵循从冷色调到暖色调表示阻值从低到高变化的一种趋势。　　 　　依据上述约定原则，综合3205通道迎头前方4个方向的瞬变电磁探测结果可以看出，低阻异常区域主要集中在迎头顺层方向，并且主要集中在迎头的左前方向30m开始的位置，视电阻率值在1以内，定义存在富水的可能性较强;在迎头正前方40m左右位置出现一视电阻率值和相邻区域相差较大的区域，结合地震探测的结果分析可能是受岩性变化引起的;在迎头探测的其他方向显示视电阻率值相对较大，存在富水性的可能很低。
　　3.2 矿井震波超前探测法
　　3.2.1 矿井震波超前探测数据处理
　　数据处理时统一以C2检波点对应巷道的中点为坐标原点，巷道前方为X正方向，Y正方向指向顶板，Z方向指向左帮建立坐标系，分别来确定炮点和检波点的坐标。
　　现场采集到的物探数据经过处理方能转化为可利用的物性图件，MSP震波探测数据在自行研制开发的MSP2.0软件平台上进行，其处理流程为：数据预处理—频谱分析—直达波求取—反射波提取—速度分析—深度偏移—界面提取。根据速度谱同时结合现场岩性情况，并参考以往探测的验证结果，本次MSP探测取综合速度为3m/ms进行偏移处理速度。
　　数据预处理部分主要完成观测系统录入，将现场实际测量的炮孔、检波点坐标录入MSP系统。基于上述观测系统原则，在进行数据处理时以指向掘进迎头方向为x轴正方向，垂直于顶板方向为y轴正方，垂直于左帮为z轴正向，建立直角坐标系。为了便于建模，以C2点所在巷道位置的巷道中心为原点，建立炮检坐标系。为利于指导后续数据的处理，通过频谱分析得出主频范围为50～500Hz。
　　深度偏移处理为MSP处理的核心部分，在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上。以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。基于直达波速度，本次均匀速度背景值取值为1.5～3.5m/ms。本次探测由于探测介质为煤，探测距离相对较近，整体探测距离为200m，其中已揭露区68.95m，未揭露区131.05m。
　　3.2.2 矿井震波超前探测数据解释
　　图3为3205通道反射界面提取剖面。从反射异常界面提取剖面中可以看出，在巷道前方共存在两处反射异常带，分别命名为R1、R2。　　 　　综合上述分析和现有地质资料对上述异常段作如下推断解释：
　　(1)异常R1在当日迎头(导线点D3前22m)前方55m附近，该异常界面的影响范围在40～65m，结合地质资料分析为伴生断层或其他原因造成的岩性变化产生的反射界面，同时影响范围较大，注意提前预防。
　　(2)异常R2在当日迎头(导线点D3前22m)前方98m附近。该异常影响的范围在88～103m之间，从波形的频率上分析，该界面的频率较低，同时反射能量较强，结合现有的地质资料分析为凫山支断层产生的影响。
　　4 探采对比
　　针对瞬变电磁探测的结果，分别对上述提出的低阻异常区域进行打钻验证，在3205探煤巷导Z15点前11m巷道中间布置一钻孔，钻孔方位角为303°，钻孔设计角度为仰角3°，钻孔终孔深度为33.6m，钻孔因塌孔停钻，本钻孔在该位置有滴水现象;在3205通道导3点前31.3m巷道中间布置一钻孔，钻孔方位角为231°，钻孔设计角度为俯角5°，钻孔终孔深度为38.6m，钻孔因掘进停钻，本钻孔有出水现象，与结果基本一致。
　　MSP探测结果中R1异常界面在巷道揭露过程中遇到两条断层，一个是在当日迎头前方的37m，该揭露断层落差为2m;另一个在当日迎头前方的65m处，该揭露断层落差大于3m，巷道正在掘进当中，R2异常体待进一步验证，已揭露的异常体及位置同探测结果基本吻合。
　　本次探测取得了较好的效果，为矿井巷道的掘进提供了可靠的地质条件参数。