摘要：矿井巷道掘进过程中所遇到的断层、陷落柱、煤岩体结构破碎带等不良矿井地质条件时，都将直接影响到掘进施工，同时也易导致矿井水、瓦斯等灾害的发生，给矿井安全生产带来极大的威胁，因此巷道在掘进过程中要进行超前预测、预报。用于超前探测技术方法有钻探和物探方法等，其中物探方法包括地震波法、直流电法、瞬变电磁法、雷达探测等方法。由于单一物探方法的多解性，很难对所遇到的地质问题进行有效判定，因此综合物探技术的应用已成了物探技术在超前预测、预报中的发展趋势。本文通过综合物探技术方法在正通煤矿201材料巷迎头超前探测中的应用，分析了瞬变电磁法与地震波法的综合应用对提高超前预报解释精度所发挥的积极作用。
　　关键词：瞬变电磁;地震波;MSP技术;超前探测
　　0 引言
　　煤炭在我国的国民经济中具有重要的战略地位，在我国一次能源消费构成比例中一直占70%以上。与此同时，我国煤炭行业的安全生产形式严峻，特别是矿井巷道掘进头前方的构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)对巷道的安全掘进构成了严重威胁，也是煤矿发生重大突水事故的主要原因。另一方面，随着煤炭生产矿井向深部的发展，地质结构越来越复杂，矿井地质构造及煤层赋存情况是矿井生产与安全的主要影响因素，矿井地质构造和煤层赋存情况直接影响到矿井生产安全并控制着煤层瓦斯、矿井水体、地下应力场等的分布与变化规律。因此，可靠准确的地质构造和煤层赋存情况预测对矿井采区、工作面、巷道等系统的合理布置，采取有效的措施，确保矿井安全生产具有十分重要的意义。如何做到提前预报和及时防治，进行有效的超前探测工作变得非常关键。目前超前探测工作中主要有钻探法和物探法，实际工作中并按照“物探先行，钻探验证”的要求来进行。目前，井下物探工作的现状是单一物探方法不能满足要求，需采取多种物探手段进行综合探测、综合分析解释。井下应用较广的物探方法主要有:直流电法、瑞利波法、无线电波透视法、矿井地质雷达法、瞬变电磁测深法、槽波地震法、钻孔测温法和放射性测量等[1-5]。上述方法中，震波法勘探对大的地质界面非常敏感，如断层破碎带、陷落柱和岩溶空洞等，但对探水效果不理想;瞬变电磁法勘探对电性差异的地质体非常敏感，如断层导水带、陷落柱水及岩溶水、老窑水等[6]。本文通过正通煤矿的工程实例介绍了矿井瞬变电磁法和震波超前探测的综合物探技术在巷道掘进中的应用。
　　 1 物探方法简介　　
    1.1 瞬变电磁法超前探测　　
    瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM，它是基于电法地球物理基础，利用不接地回线或接地线源(电极)向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地线源(电极)观测二次涡流场的方法[1-2]。

　

图一 瞬变电磁法探测原理

　　矿井瞬变电磁法超前探测数据采集时采用区别于地面的大回线工作装置，而采用小回线重叠装置进行施工。数据处理时采取平行层理条件下的相关理论，将发射线框置于掌子面，其发射源激励下的涡流场在不同岩层中传播，形成的二次场又会被置于掌子面的接收装置以感应电位的形式所接收，通过观测感应电位的变化，从而推测掌子面前方电性的变化[7-10]。现场勘探见图二。

　　图二 瞬变电磁法超前探测现场勘探原理图

　　1.2 震波法超前探测
　　矿井震波超前探测是应用通过人工激发地震波在传播过程中，遇到巷道前方不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，通过分析和研究地震波场变化规律来探测巷道前方地质异常体。本文正通煤业综合物探超前探测案例中，根据工作装置和观测系统的不同，采用了震波法中的单点探测技术方法、MSP法进行了超前探测。
　　1.2.1 单点探测技术
　　单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式(图三)，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算探测位置距离目的层距离或厚度的。

　　

图三 单点观测系统波路图

　　1.2.2 MSP技术
　　矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Prediction)，是基于负视速度法，根据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，在单边排列的基础上设计研制的沿巷道后方布置震源点和传感器，来探测巷道前方断裂构造、岩溶陷落柱、煤岩层破碎带、采空区等地质异常界面[11-13]。
　　2 工程实例
　　2.1 工程概况
　　正通煤业地处山西省灵石县，为汾西矿业集团资源整合矿井。目前正在掘进布置首采工作面201工作面，采2#煤，煤层厚度1.8~2.2m，顶底板为砂岩。201工作面顺槽长度800m，切割巷长度156m。201材料巷设计长度800m，断面净宽4.0m，净高2.6m，矩形巷道，采用锚杆锚索钢筋托梁联合支护。本次综合物探施工地点位于201材料巷迎头C4点前210m位置，材料巷沿2#煤7°上山掘进，底板为泥岩，在距底板1. 8m有约0.15m的夹矸，探测目的为探测材料巷迎头前方断裂构造、陷落柱及采空区等地质异常体，并对其富水性进行评价。
　　2.2 现场布置
　　2.2.1 瞬变电磁法
　　据地质资料分析，瞬变电磁在探测巷道内(201材料巷迎头C4点前210m)布置测线，其中左、右帮布置2个点，点间距为2m，迎头正前方布置6个点，点间距为0.5m，拐角处各布置3个测点，共16个测点。每个测点进行顶板、顺层和底板三个方向探测(如图四)。

　　

图四 瞬变电磁探测测点布置示意图

　　2.2.2 单点法
　　单点探测时，采用锤击震源的方法，分别采用24DB、36DB、48DB增益，把检波器布置在迎头断面较完整坚硬的位置。
　　2.2.3 MSP法
　　MSP系统布置，采用锤击震源和三分量检波器，测线布置在巷道的左帮上，共布置25个激发点P1-P25，激发点间距为0.5m，两个检波器C1和C2，采用同侧后置装置，道间距为2m，C1距迎头20m，C1距P25的距离为8m(如图五)。

图五 MSP系统施工布置示意图

　　2.3 数据处理及解析
　　2.3.1 瞬变电磁法解析结果

　
图六 瞬变电磁法探测结果图

　　将瞬变电磁探测原始数据进行视电阻率反演，从反演结果可以看出来(图六)，在顶板30°方向，剖面上电阻率纵向上40~100m范围内整体电阻率值较低，表明探测巷道迎头前方顶板方向岩层富水性较好，推测为顶板K8砂岩含水层水;顺层0°方向，剖面上电阻率纵向上23~100m范围内整体电阻率值较低，表明探测巷道迎头前方岩层富水性较好;底板30°方向，剖面上电阻率纵向上40~100m范围内整体电阻率值较低，表明探测巷道迎头前方底板方向岩层富水性较好。
　　2.3.2 地震探测解析结果

　
图七 单点探测结果与验证图

　　根据单点探测波形数据，利用KDZ3.0数据处理软件进行解析，由结果图(图七)可知，在距迎头前方20.75m、38.69m、74.41m处各存在一个波形异常界面，推测为构造或裂隙发育。　　

图八 MSP技术探测结果与验证图

　　根据矿井巷道超前探测系统(MSP)探测的波形数据，利用MSP2.0数据处理软件进行数据处理，由结果图(图八)可知，分别在距迎头前方8.9m、24m、38.8m、70m处存在R1、R2、R3、R4波形异常界面，推测为构造或裂隙发育。
　　2.3.3 探测结果综合分析
　　综合瞬变电磁法探测结果与震波法探测结果分析：
　　(1)推测在迎头前方8.9m处小构造或裂隙发育，但富水性较差;
　　(2)推测在迎头前方20~24m左右小构造或裂隙发育，具有一定导水性;
　　(3)推测在迎头前方38~39m左右小构造或裂隙发育，具有一定的导水性;
　　(4)推测在迎头前方70-75m左右小构造或裂隙发育，导水性较差。
　　3 验证资料
　　201材料巷在掘进过程中实际揭露情况如下：
　　(1)在当日迎头前方4~8.6m(G4点前214~218.6m)处揭露一断层带，落差均在1.2~2.2m，未出水;
　　(2)在当日迎头前方21m(G4点前231m)处揭露一落差为2.8m的正断层，顶板出水，水量12~14 m³/h，水源为2#煤顶板K8砂岩含水层;
　　(3)在当日迎头前方40m(G4点前250m)处揭露一落差为3.2m的正断层，顶板出水，涌水量6~8m³/h，水源为2#煤顶板K8砂岩含水层;
　　(4)在当日迎头前方73~89m(G4点前283~299m)处揭露一组断层，落差均为1.2~3m，未出水。
　　4 结论
　　通过对正通煤业201工作面材料巷的超前探测的工程实例分析，同时结合超前探测地球物理条件，对巷道综合超前探测技术研究取得了一定的认识，具体内容包括以下几个部分：
　　1、矿井震波超前探测技术和矿井瞬变电磁技术可以互补。其中地震波勘探可以探测地质构造界面异常目标体，瞬变电磁法勘探可以探测具有电性差异地质异常体。对复杂地质条件可以综合采用两种方法进行有效探测，进一步提高对地质目标体的预报精度。
　　2、由于单一物探方法存在多解性,而综合物探的方法充分利用了各类勘探目标和岩性电阻率和弹性波速、密度等参数，最大限度地克服了多解性，提高了准确度和精度，比单一探测方法结果更可靠。正通煤业201材料巷综合物探探测结果与实际揭露对比表明采用综合物探技术进行综合分析解释，使各方法成果相互佐证，取长补短可有效提高物探资料解释精度。
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    作者简介：
　　卢小龙，男，宿州学院地质工程专业，福州华虹智能科技开发有限公司驻晋中办事处主任工程师。