摘 要：煤矿水害是矿井安全生产的重大灾害之一，顶板砂岩、灰岩、泥岩的电阻率差异明显，而富水性对砂岩、灰岩的电阻率影响较大，符合瞬变电磁法探测的地球物理依据，因此可以采用瞬变电磁法对工作面顶板富水情况进行探测。回采工作面在回采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，都将直接影响到回采进度，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，因此必须能对此进行探测与预报。本文正是针对目前超前探测的形势，通过田陈煤矿3_下7111工作面探测的工程实例，分析了瞬变电磁超（TEM）技术及无线电波透视探测技术的综合应用对提高地质预报的解释精度所起的积极作用。
关键词：瞬变电磁 无线电波透视 防治水
0 引言
    我国煤炭行业的安全生产形式严峻回采工作面在回采过程中遇到的构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)对回采工作面的安全回采构成了严重威胁，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富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富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。可靠准确的地质构造和煤层富存情况预测和对矿井采区、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。
    目前单一方法不能满足要求，需采取多种物探手段进行综合探测、综合分析解释。目前煤炭系统应用比较广泛的矿井物探手段主要有：直流电法、瑞利波法、钻孔无线电波透视法、坑道无线电波透视法、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]。无线电波透视法在煤矿回采工作面内构造探测中已进行了多年的应用，从实践中可知，采用无线电波透视法探查回采工作面中的各种地质体和构造，比如陷落柱、断层、煤厚变化和煤层冲刷带等，是一种有效的矿井物探手段；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]。
    本文通过田陈煤矿的工程实例介绍了矿井瞬变电磁法和无线电波透视法的综合物探技术在回采工作面防治水中的应用。
1 综合物探方法
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]。     瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播（图1），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。从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反应深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。
    矿井瞬变电磁法原理与地面电磁法原理基本相同，所不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收的信号是来自发射线圈上下两个方向全空间岩石电性的综合反映^[7～10]。
1.2 无线电波透视
    电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率、介质常数等）不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射，也造成能量的损耗。因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释^[11-13]。
2 工程实例
    3_下7111工作面位于七一采区，主采3下煤层，煤层平均厚度4.8m，煤层结构复杂，煤层倾角4～17°，平均6°，可采储量113.0万t。3下7111工作面走向长度约1220米，倾向长度约200米。工作面地面相对位于圈里村东北约500m，距北风井东北约2900m。工作面东侧相距尹家洼断层（H=40-110∠65-77°）260m左右，西侧为物探DF2(H=5-20∠75°)、DF8（H=0-21∠55°）及DF3（H=5-40，∠55-75°）断层，切眼北侧临近井田边界，工作面四周无采掘活动。地面标高+54.3～+56.2m，工作面标高-846～-778m。据三维物探资料显示，3下7111工作面位于尹家洼断层（H=40-110∠65-77°）上盘，DF2（H=5-20∠75°）、DF4（H=0-15∠65°）断层东侧。区内构造复杂，不仅发育有落差较大的断层，还发育有次级轴向NNE的褶曲。由于工作面两侧受较大断层影响，次生构造发育，褶曲构造发育导致两巷起伏变化较多，同时由于工作面地层倾角存在反转，上、下巷道交替出现。煤层破碎、节理裂隙较发育。运输巷掘进期间揭露落差大于5米正断层两条F6、F20，F6断层与工作面走向垂直，F20断层与工作面形成30°夹角，断层向面内延伸，轨道巷掘进期间并未揭露与该断层有直接联系构造，以此推断F6、F20断层在面内有尖灭趋势，由于落差较大，对工作面回采期间有较大影响。
2.1 现场数据采集
2.1.1 瞬变电磁数据采集
    本次探测共采用了4个探测方向对顶板含水层富水性进行探测，根据综合柱状图及水文地质报告结合本次瞬变电磁的探测目的在3_下7111工作面材料巷和运输巷布置测线，轨道测线共123个测点从0#～122#，每个测点分别为顶板90°、顶板60°、顶板30°、顺层方向；运输巷测线共123个测点，从0#～122#，每个测点分别为顶板90°、顶板60°、顶板30°、顺层方向。实现工作面上下双巷测试数据的之间的充分覆盖，以加强对工作面内顶板富水区的捕捉能力。 2.1.2 无线电波透视数据采集
    根据探测目的和现场实际情况，本次测试工作主要在3_下7111工作面运输巷和轨道巷各布置测线长度1150m，倾向长度为200m。采用无线电波透视技术在运输巷、轨道巷巷道内分别发射和接收。每50m一个发射点，发射点间距为50m，每个发射点在对应巷道布置11个接收点，接收点间距为10m，一个发射点对应100m接收距离。相邻发射点的接收距离覆盖叠加50m，依次进行发射和接收。本次探测施工时先把轨道巷作为发射巷，运输巷作为接收巷，等完成发射和接收工作时，再把轨道巷作为接收巷，运输巷作为发射巷，完成发射和接收工作。 2.2数据处理及解析
2.2.1瞬变电磁解析结果
    瞬变电磁数据处理时首先建立统一坐标系，以3_下7111工作面运输巷相对轨道巷Y1导线点前20m的对应位置为平面坐标原点，沿工作面走向为x轴正方向，沿工作面倾斜方向为y轴正方向，为每个数据采集点建立坐标，并形成给定的数据格式文件，然后进行联合反演，获得工作面内岩层的电性参数，采用Surfer软件形成电阻率等值线图。
    为了解影响3煤开采含水层的电性特征，把运输巷和轨道巷两巷的数据进行联合反演，制作了3煤上100m、3煤上80m、3煤上60m、3煤上40m、3煤上20m、3煤上0m切片图来了解3煤顶板砂岩含水层、侏罗系砾岩含水层的富水性。对于3煤顶板砂岩含水层富水区的划分：以3煤上20m～40m切片为准，重点考虑视电阻率小于10Ω.m的区域，视电阻率小于6Ω.m的区域定为强富水区。对于3煤顶板侏罗系砾岩含水层富水区的划分：以3煤上60m～80m切片为准，重点考虑视电阻率小于10Ω.m的区域，视电阻率小于6Ω.m的区域定为强富水区。
    根据不同深度视电阻率联合反演切片可看出，工作面顶板方向存在4个富水异常区，即YC1、YC2、YC3、YC4。根据3_下7111工作面顺层切片、工作面顶板10m、20,m、40m深度切片3煤顶板砂岩含水层存在两个富水异常区，综合分析在X=470～570、Y=130～170m区域内、X=890～1050m、Y=50～150m区域内，此范围内为3煤砂岩重点防治区域。根据3_下7111工作面顶板60m、80m深度切片可知，3煤顶板侏罗系砾岩含水层存在两个富水异常区，综合分析在X=220～320m、Y=100～170m区域内、X=1050～1220m、Y=30～180m区域内，并存在上下的水力联系，此范围内为侏罗系砾岩含水层重点防治区域。 2.2.2 无线电波透视解析结果
    无线电波数据处理时首先建立统一坐标系，以3_下7111工作面运输巷相对轨道巷Y1导线点前65m的对应位置为平面坐标原点，沿工作面走向为x轴正方向，沿工作面倾斜方向为y轴正方向，为每个数据采集点建立坐标。由图5无线电波透视探测结果图，可知工作面存在10个透视异常区和3个解释断层，具体解释如表1。
2.3 验证结果分析
2.3.1 瞬变电磁打钻验证情况
    针对瞬变电磁探测成果中提供的4个顶板富水异常区以及现场所施工的钻机窝A情况，对每个异常区域施工2个探放水钻孔，钻孔具体布置如下：
    1、在轨道巷Ⅰ号钻机窝施工1＃、2＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证富水异常区YC1。
    2、在轨道巷Ⅱ号钻机窝施工3＃、4＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证富水异常区YC2。
    3、在在运输巷Ⅲ号的钻机窝施工5＃、6＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证富水异常区YC3。
    4、在运输巷Ⅳ号钻机窝施工7＃、8＃钻孔，设计高度为穿透侏罗系底部砾岩，用来验证富水异常区YC4。
打钻测得涌水量结果如下：轨道巷Ⅰ号钻机窝：45+50=95m³/h；轨道巷Ⅱ号钻机窝：20.3+30=53.0m³/h；运输巷Ⅲ号钻机窝：15.6+10=25.6m³/h；运输巷Ⅳ号钻机窝：7.0+10.5=17.5m³/h。 2.3.2无线电波透视验证情况
    无线透视探测结果中，存在5个透视异常区，针对无线电波探测的透视阴影区验证如下：
    1）3_下7111工作面共揭露断层40条，其中落差大于2m断层20条，出现局部淋水的有DF8断层、F20断层。
    2）1#透视异常区在回采过程中验证为煤层结构变化较大，出现4条小构造。
    3）2#、3#、4#、5#透视异常区在回采过程中，本区域煤层较破碎，解释断层1向煤层倾向方向发育85m。
    4）6#、7#、8#、9#透视异常区在回采过程中，本区域煤层较破碎，小构造较发育。
    5）解释断层2向煤层倾向方向发育105m，走向发育74m；解释断层3发育较小。
    6）10#透视异常区在回采过程中验证为本区域煤层较破碎，小构造较发育。
4 结论
    通过对田陈煤矿3_下7111工作面综合物探在防治水中应用的工程实例分析可知：
    1）无线电波透视技术能够有效对工作面内异常地质体和构造的探测，对工作面内隐伏构造亦能够相对准确判断，亦能有效追踪工作面两巷已揭露的断层向工作内延展范围；
    2）矿井瞬变电磁法能够对煤层顶板防治水工作提供有效的技术支持，对水文钻孔的设计及施工有一定的指导作用，增强煤矿防治水的针对性，降低了煤矿防治水的工作量，提高了回采工作面的安全性。
事实表明，采用综合物探技术和综合分析解释，既可以对富水区域的判断，亦可以对导水通道的追踪。使各方法成果相互佐证，取长补短是提高物探资料解释精度和可靠性的必由之路。
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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华北办事处主任工程师。