蒙西泊江海子矿3-1煤层掘进开拓超前探水应用-中国矿井物探网—

李洪明¹，疏义国²，王宏伟²，张平松¹，吴荣新¹（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；
2.泊江海子煤矿，内蒙古鄂尔多斯232000）

摘要：为探测顶板砂砾岩层孔隙水对泊江海子矿开采3-1煤层的影响，采用瞬变电磁法进行巷道掘进连续跟踪探测。根据3-1煤层掘进的地质条件，采用边长2m×2m的多匝小线框同心回线装置、扇型观测系统进行探测。每次探测要求预报迎头前方90-100m岩层的富水状况，每掘进80m时进行下一次探测。探测实践表明，测区内煤层的平均电阻率较高，有利于低阻异常的识别；在该区以低于10Ω•m为低阻值异常区的判断标准解释的富水区，与掘进过程中出现滴水现象的区域完全吻合。

    关键词：超前探测；瞬变电磁法；富水性；泊江海子矿
0 引言
    矿井水文地质条件是煤矿安全生产中重要的影响因素，做好开拓过程中巷道前方水害特征的探查与预报工作至关重要。目前，蒙西泊江海子矿主采3-1煤层，其开拓过程中主要受到来自顶板砂砾岩孔隙含水层的影响。受砂岩孔隙-裂隙含水层影响，巷道周边出现持续的渗水现象，对巷道顶底板稳定性带来威胁。为了防止在掘进过程中发生突水情况，要进行了巷道超前探测。
    目前，用于巷道超前探测的方法较多，主要有地震波法、直流电法和瞬变电磁法^[1-3]，其中地震波法用于解决巷道前方地质构造等界面问题效果较好，解决探水问题则以电磁勘探方法为主体。瞬变电磁作为一种非接触式勘探方法，具有施工方便快捷、体积效应小、探测距离大、探测方向性好，对含水低阻体敏感等优点，近年来已在巷道探测机制、数据采集、干扰因素控制、反演算法、结果成图等方面取得了良好的进步，其对巷道掘进前方隐伏含水体及断层、陷落柱等构造的超前探测取得了良好的应用效果。本文结合泊江海子矿3-1煤层巷道掘进地质条件，进行瞬变电磁连续跟踪超前探测，讨论其探查适用条件和应用效果，为矿井安全生产提供有效的技术参数。
1 掘进工作面超前探水方法
1.1 探查地球物理条件
    矿井位于蒙西东胜煤田的西北部边缘，其构造形态总体为一向北西倾斜的单斜构造，褶皱、断层不发育，但局部有微弱的波状起伏，无岩浆岩侵入，倾向N30°～40°W，地层倾角1°～3°，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，但变化不大。该矿侏罗系地层为一套陆相沉积物，其沉积基底为三叠系上统延长组(T3y)^[4，5]。3-1煤层为首采煤层，厚度0.6～8.4m，平均4.45m。直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒砂岩，岩石的力学强度较低，抗拉强度0.55～5.54MPa，抗剪强度2.03～16.55MPa，软化系数0.08～0.55；底板为泥岩，厚度一般在1m以内，砂泥质结构，微波状层理，力学强度低，遇水易软化变形，因此，煤层顶底板岩石的稳固性较差。图1为工作面综合柱状图。从电阻率曲线可以看出：煤与岩石的阻值差别很大，瞬变电磁对低阻响应比较敏感，可以有效查明前方是否存在地质异常。

图1 工作面综合柱状图

1.2 TEM超前探水原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM），是利用不接地回线（线圈）或接地导线发射脉冲电流作为场源，在发射脉冲的间隙利用回线或接地电极测量二次场随时间的变化。对测量得到的异常进行分析，得出地下不均匀导电体的性能和位置，达到解决地质问题的目的^[6-10]。
感应涡流场在表层引起的磁场为整个“环带”全部涡流层的总效应。这种效应可以用一个简单的电流环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”(图2)地层介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场的大小与地下介质的电性有关。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、性质、规模和产状等。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。

图2 全空间瞬变场烟圈扩散示意图

瞬变电磁场在地层中主要以扩散形式传播，其中高频部分主要集中在浅部，且其分布在源附近的局部范围，较低频部分传播较深，且分布范围逐渐扩大。根据采用的多匝小回线装置视电阻率计算，目前大多沿用通用的早、晚期视电阻率换算公式，其中晚期视电阻率仍采用经典的半空间均匀场晚期计算公式：

式中：ρ_τ为是电祖率；μ₀为真空中的磁导率；S为单匝发射回线面积（m²）；s为单匝接收回线面积（m2）；N和n分别为发射和接收线圈匝数；V和I分别为感应电动势（V）和电流（A），V/I为接收的归一化二次感应电场值；t为二次场衰减观测时间（s）；C为近似系数，由井下全空间、线圈特性及围岩电性共同决定，如果不考虑该系数，则实际计算出来的视电阻率值偏小。C值的具体取值可依据实际探测区域岩体真电阻率值，通过在探测区域的应用验证对比来反复推求获取，并作为经验值使用。由此可以计算和获得单点测深电阻率值。
2 掘进工作面超前探查应用
2.1 数据采集
泊江海子矿3-1煤层巷道掘进中，其断面尺寸大，为5.2m×4.0m，现场探测时瞬变电磁线框采用边长2m×2m的多匝小线框同心回线布置方式，在3-1煤层首采工作面上下顺槽跟踪探测时采用扇型观测系统布置，实施探测点数多，易于进行数据对比分析。图3为扇型观测系统布置，即以巷道迎头立面中心为原点，沿巷道左帮、迎头和右帮采集数据，每个数据点处观测3个方向，分别为仰角45°顶板方向、水平顺层方向和俯角45°底板方向。处理时该数据常采用虚拟坐标方式，将3个方向数据依次排放，形成左帮、顺层、右帮的统一电阻率剖面，其重点是关注中间顺层数据，两帮数据由于测试影响条件不同，仅起到电性参数对比作用。

图3 扇型观测系统布置

现场探测时，需要保持良好的测试环境，其中距迎头后方10m内不能有大型金属物，综掘机等应移至探测范围之外，以消除金属体对电磁信号的影响。探测时巷道要停电，线圈尽量避开锚网和锚杆，最大限度的减少各种干扰信号。
2.2 探测结果分析
首采面上、下顺槽掘进过程中，主要受顶板砂岩、砾岩中的孔隙水的影响。探测中依据交叉掩护式探查，即每次探测根据电阻率剖面情况预报90-100m岩层富水状况，当巷道掘进80m时进行下一次探测，保证每一次探测均有控制覆盖，且当遇到地质异常加密观测。目前，3-1煤层首采面上下顺槽已掘进达千米以上，现对其中的几次探测成果进行总结。图4为巷道前方连续超前探测顺层方向瞬变电磁扇形剖面。探测控制距离为迎头前方10～100m，其中0～10m为关断时间及互感等产生的浅部盲区。测区内电阻率值分布在5～60Ω•m，高阻值分布普遍，局部存在低阻异常值。根据测区内煤岩体地质特征及探测经验将低于10Ω•m的区域解释为低阻异常区。推断测区内岩层整体赋水性弱，低阻区为顶板砂岩孔隙含水表现。矿方根据每一次瞬变电磁超前探测结果，确定探水孔位及防治水技术措施。

图4 顺层方向扇形剖面实测图

2.3 结果验证
图4中施工的6次连续超前探测，巷道掘进距离约600m，在所解释的低阻异常区内出现多处淋水现象，高阻区域巷道掘进正常，根据图5实测水文地质剖面图看出，第一次探测阻值相对较高，顶板岩性以泥岩和砂质泥岩为主，在掘进过程中没有滴水现象，第四次探测阻值相对较低，顶板岩性以砂岩为主，掘进过程中出现滴水现象，说明工作面顶板随着砂岩厚度的增加，存在一定的富水性。探测实践结果表明，巷道掘进揭露地质条件与超前物探剖面中电性分布异常解释的一致性较好，对安全生产发挥了指导作用，同时也为后续煤层巷道掘进及煤炭资源回采提供技术参考。

图5 实测水文地质剖面图

3 结论
    ①瞬变电磁超前探测布置中扇形观测系统相对合理，其结果表达兼顾全方位特点，数据分布特点对迎头前方空间异常响应有利。
    ②3-1煤层巷道连续探测实践表明，测区煤层平均电阻率值较高，便于对低阻异常的识别。以低于10Ω•m为低阻值异常区判断标准，具有一定的可靠性。
    ③区内开采煤层深度在500m以下，对于该深度开采的侏罗系孔隙含水层特征与采动关系的变化关系目前还没有系统的研究。由于单一方法会存在多解性，对于后续复杂地质条件探查需结合直流电法等进行综合勘探，进一步提高超前探水预报能力。
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摘自《中国煤炭地质》2013年9月第25卷9期