图1-1 物探位置平面示意图

表2-1 煤层顶底板岩性情况表

2.1.2地质构造情况
根据三维地震勘探报告提供资料，结合南翼七采区大巷掘进资料分析，工作面预计共揭露3条断层(下表)，预计揭露处断层破碎带严重，掘进中须提前做好过断层准备。

表2-2 断层一览表

2.2水文地质概况
(1)巷道底板标高在+730m～+750m之间，奥灰水水位+906.59m，9#煤层隔水层厚度73.7m，该巷道为承压开采，底板隔水层承受最大水头压力2.51MPa。
(2)巷道掘进时受底板水及断裂构造水影响，预计正常涌水量2m³/h，最大涌水量10m³/h。
(3)根据图纸及掘进回采实际资料，该工作面四周水文地质情况清楚,但在工作面掘进时还应加强对采空区的探测及构造导水的探放水工作。

图1-1 巷道区域柱状图

2.3 地球物理特征
从不同岩性地层的物性差异的角度来分析我们所关心的地层，可以知道其一般变化规律为从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层，电阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板为一相对高阻层；测区内煤系地层比较平缓且地层沉积序列清晰、地层相对稳定。正常地层组合条件下，在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循。
在构造发育带附近，或者出现层位错动、或者是地层产生揉皱变化，这种变化一般都伴随着一定范围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供了有利空间。一旦裂隙充水，即相当局部出现有明显的含水构造，由于矿井裂隙水体的导电性良好，在纵向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律。
含煤地层是典型的层状结构，在垂直岩层方向上煤系内地层之间的物性差异明显。在含煤地层中，与围岩相比煤层具有速度低、密度小的特点。煤层上下界面都是一个极强的波阻抗分界面并形成了以煤层为中心的低速波导层，煤层作为对地震能量的波导水平，在很大程度上决定于煤层与上下围岩波速的差异大小。
巷道煤层与围岩的物性(密度、速度)差异较大，故煤层与顶底板围岩的波阻抗差异较明显。煤层与围岩间的界面，呈现为良好的地震波反射面，有利于震波在煤层中传播。
当煤层中发育有断层、陷落柱、侵蚀区等地质异常体时，地震波会在波阻抗差异界面发生反射，形成反射波，其同相轴、幅值、能量等特征呈现一定的规律，通过分析反射波的动力学特征、波形属性特征可判断煤层内部地质异常体发育情况。
上述物性变化的存在为瞬变电磁法与地震MSP法的实施提供了良好的地球物理条件。
综上所述，巷道的地质条件基本具备瞬变电磁法与地震MSP法超前探测的地球物理基础。
3 施工方法及其施工情况
3.1 瞬变电磁法工程布置及施工情况
3.1.1 方法原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法(Timedomain electro magnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
3.1.2 仪器设备
本次探测使用仪器为福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS512矿用本安型探水仪，该YCS512矿用本安型探水仪对低阻充水区域反映灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且具有施工方便、快捷、效率高等优点，既可以用于煤矿掘进头前方超前探测，也可以用于巷道侧帮、煤层顶、底板等探测，为煤矿企业在生产过程中可能存在的水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。YCS512矿用本安型探水仪的组成及技术参数见图3-1。

图3-1 YCS512矿用本安型探水仪及技术参数

3.1.3 瞬变电磁法工程布置及施工情况
本次探测于2022年1月15日进行，根据探测任务和现场施工条件，巷道(开口前68.2m)巷道迎头瞬变电磁法采用半圆形观测系统，水平方向上以掘进中线为基准做15个方向：左偏90°、75°、60°、45°、30°、15°、巷道正前方3组和右偏15°、30°、45°、60°、75°、90°；垂直方向以迎头煤层倾向为基准做6个方向：顶板45°、顶板15°、0°、底板30°、底板60°和纵剖面。现场瞬变电磁数据采集共完成了88个瞬变电磁物理点。示意图见图3-2。

图3-2 瞬变电磁超前单次探测示意图

3.2 地震MSP法工程布置及施工情况
3.2.1 方法原理
MSP技术是矿井震波超前探测(MSP-Mine Seismic Prediction)技术的简称，该技术方法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。
3.2.2 仪器设备
本次地震MSP法超前探测设备为华虹公司制造的“KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统”，该系统是新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。系统采用先进的分布式架构，利用自动化采集及高精度同步技术，可在井下灵活组合施工，实现工作面震波CT勘探、巷道超前探测、地震波单点反射超前勘探、反射共偏移探测等多种震波观测方法的数据采集。系统由数据记录仪(采集器A)，震源启动记录仪(采集器B)，传感器等组成，KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图见图3-3。数据记录仪与震源启动记录仪间利用高精度时钟同步，在井下同步对时后，所有设备间将以同一时间节拍独立工作。数据记录仪不间断连续采集并存储地震数据，震源启动记录仪记录雷管起爆时间。在完成所有激发工作后进行数据回收，将所有设备构成总线网络，以震源启动记录仪的震源启动时间为0从数据记录中“裁剪”出各地震道，并形成单炮记录。

图3-3 KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图

3.2.4 地震MSP法工程布置及施工情况
震波超前探测(MSP)技术方法主要控制掘进巷道前方构造发育情况，MSP在现场施工时每次由迎头退后均匀布置24个炮震激发点P1-P24，激发点间距约2m；两个接收点J1与J2，接收点采用孔中三分量检波器接收；测点布置时，激发点与接收点均布置在巷道左帮，若由于左帮由于条件限制可在右帮布置，其中激发点间距为约2m，P24与J1间距约15m，J1与J2间距约5m，详细见图3-8现场施工测点布置图。
4 技术与质量保障措施
4.1 执行相关标准
(1)《煤炭电法勘探规范》(MT/T 898-2000)；
(2)《煤矿防治水细则》，2018年9月1日施行；
(3)原煤炭部颁布的《煤田地质勘探安全规程》；
(4)《煤矿安全规程》；
(5)《煤矿地质工作规定》；
(6)参照中华人民共和国地质矿产行业标准《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187-2016)相关技术规程进行数据采集、资料解释及成果报告编写。
4.2 主要技术质量保障措施
(1)严把施工设计关，确保设计方案能达到了地质任务及相关规范的要求；
(2)现场严格按施工方案设计施工，特别是数据采集质量达到设计及相关规范的要求标准；
(3)每个施工程序安排专职技术员，进行了现场施工负责；
(4)每次采集数据及时进行整理与分析；
(5)施工设计、工程预算及成果提交项目主要负责人员讨论把关。
5 数据处理与结果解释
5.1 瞬变电磁法数据处理
YCS512矿用本安型探水仪采集的原始数据为电压对电流的对数值。将数据室内回放，原始数据打开后呈现两部分曲线，纵坐标表示某个测点的实测V/I值，从上到下依次为1~80道，0、E-1、……、E-6分别表示值为0、0.1、……、1000000，以对数方式显示，单位为“微伏/安培”；横坐标表示该记录的若干个测点记录，即实际采集了多少个采样点；“x=**”表示第几个测点记录，“y*=*”表示该测点的实测V/I值。下半部分的曲线为选中曲线测道显示，其中“x=**”表示上半部分x表示测点的测道显示。
从这个图上可以简单的分析出测区的电性大致分布趋势，峰值越大表示该区域地下的导电性较好，视电阻率就越趋于小，相对显示低阻异常。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。
软件处理主要流程为：数据上传—格式转换—数据滤波处理—计算晚期视电阻率—时深转换—结果成图。
5.2 瞬变电磁法成果解释
图5-1为巷道(开口前68.2m)巷道迎头超前瞬变电磁探测顶板45°方向、顶板15°方向、顺层方向、底板30°方向、底板60°方向及纵剖面视电阻率等值线图，线框布置从巷道左侧旋转至巷道右侧，可以了解各探测方向视电阻率分布情况；由图可知：
顶板45°方向视电阻率值介于35-80Ω.m之间，视电阻率值整体较高；
顶板15°方向视电阻率值介于25-80Ω.m之间，视电阻率值整体较高，巷道右侧10-80m范围内视电阻率值呈局部闭合相对低阻状态，视电阻率值介于25-35Ω.m之间；
顺层方向视电阻率值介于25-76Ω.m之间，视电阻率值整体较高，巷道左前方及右侧10-90m范围内视电阻率值呈局部闭合相对低阻状态，视电阻率值介于25-35Ω.m之间；
底板30°方向视电阻率值介于25-130Ω.m之间，视电阻率值整体较高，巷道右侧10-98m范围内视电阻率值呈局部闭合相对低阻状态，视电阻率值介于25-35Ω.m之间；
底板60°方向视电阻率值介于25-95Ω.m之间，视电阻率值整体较高，巷道右侧10-100m范围内视电阻率值呈局部闭合相对低阻状态，视电阻率值介于25-35Ω.m之间；
纵剖面方向视电阻率值介于30-150Ω.m之间，视电阻率值整体较高，仅顶板局部视电阻率值介于30-35Ω.m之间。

图5-1 各方向瞬变电磁探测成果图

5.3.1 处理目标
针对本次地震MSP法地质任务和地质特点，特确定以下处理目标及要求：
(1)为了确保资料的高保真度、高信噪比和高分辨率，更好的完成地质任务，资料处理中要确保“三高”，其中主要是高保真度。
(2)将资料处理工作分为试验处理和批量处理两个阶段。试验处理是要认真做好处理流程及参数测试工作；根据试验处理确定的流程及参数对全区做批量处理。
(3)要认真做好异常数据的提出或校正、地震速度分析、宽频滤波、初至拾取等。
5.3.2 数据处理
本次地震MSP法超前探测数据处理工作采用了福州华虹智能科技股份有限公司发行的《KDZ3114—槽波地震数据处理解释系统》软件平台，软件处理主要流程为：数据导出与上传—预处理—建立观测系统—初至校正—反射波提取—波场分离—速度分析—结果成图。
5.4 地震MSP法成果解释
本次地震MSP法超前探测的主要地质任务及探测目的为探查巷道掘进迎头前方100m范围内地质构造发育情况。
经过上述处理，得出本次地震MSP法超前探测成果图：绕射扫描偏移成像-振幅叠加偏移图；

图5-2 地震MSP法探测成果图

图5-2为迎头前方地震MSP法探测绕射扫描偏移成像-振幅叠加偏移图，为本次地震MSP法成果解释的主要图件，图中黄色与绿色高值区为存在强反射位置，本次共计有3处能量高值异常区，命名为R1、R2、R3，解释如下：
R1：位于掘进工作面前方17-35m存在地震波能量反射叠加异常，推断存在地质构造或者煤厚产状变化。
R2：位于掘进工作面前方49-56m存在地震波能量反射叠加异常，推断存在地质构造或者煤厚产状变化。
R3：位于掘进工作面前方87-100m存在地震波能量反射叠加异常，推断存在地质构造或者煤厚产状变化。
6 结论及建议
6.1 结论
(1)瞬变电磁法结论
因瞬变电磁不同探测方向受巷道掘进工作面支护干扰程度不等，各探测方向电阻率分布存在非地质异常差异，结合地质资料，对比分析不同探测方向视电阻率分布特征，获得以下结论：
巷道(开口前68.2m)巷道迎头前方100m探测范围内顶板45°方向、顶板15°方向、顺层方向、底板30°方向、底板60°方向视电阻率值整体较高，但顶板15°方向、顺层方向、底板30°方向、底板60°方向右侧视电阻率值低于左侧，结合已知水文地质资料综合分析，与F9-2断层附近岩层裂隙发育有关。
(2)地震MSP法结论
本次地震MSP法超前探测在巷道迎头前方100m范围内共计发现有3处能量反射叠加异常区，命名为R1、R2、R3；结合已知地质资料分析，R1、R2、R3与该对应位置存在地质构造或者煤层产状发生变化有关。
6.2 建议
(1)随巷道掘进开采，煤层顶底板会受到不同程度的破坏，地质、水文地质及工程地质等会发生变化，可能会形成新的导水通道，巷道掘进过程中，对局部视电阻率值相对较低的区域，矿方要加强分析研究，采取相应的措施；建议矿方对巷道右侧瞬变电磁视电阻率值呈局部闭合且相对相对低阻区域，与巷道前方3处地震MSP法探测异常区域进行钻探验证；
(2)由于物探存在多解性和局限性，矿方应根据本次两种方法探测成果结合已有水文地质、地质资料进一步综合分析，确保巷道掘进安全；掘进期间加强超前探查验证工作；做好水情水害监测工作，发现异常情况，及时撤出人员至安全地点，并采取安全措施。
7 矿方验证
经过后期矿方打钻验证情况分析：
成果报告提交后，矿方共设计4组钻孔，针对物探异常区，矿方进行了钻探验证。具体情况如下表5-1所示。

表5-1物探验证探放水钻孔情况表

8 结束语
通过在山西某矿巷道瞬变电磁法与地震MSP法综合探测的应用，充分说明煤矿井下瞬变电磁法与地震MSP法是一种行之有效的控制巷道掘进前方水情水害探测与构造发育探测的方法，同其他探水方法相比，具有以下特点：
1)瞬变电磁法与地震MSP法具有施工周期短、效率高、效果好的优点,为矿井防治水提供了可靠依据；
2)在瞬变电磁法的探测结果中可以发现，异常区视电阻率值以闭合相对低阻形态呈现，表示该区域富水条件发生了变化。结合钻探资料综合分析，构造发育区域也可能会造成视电阻率值以闭合相对低阻形态呈现。
3)在地震MSP法探测结果中可以发现，在构造发育区域，地震波均可以产生清晰的反射界面，为判断巷道掘进前方构造发育位置提供较可靠的依据。
4)实践证明,矿方对异常区进行了钻探验证,验证结果与物探结果非常吻合,为该矿安全生产提供了可靠的地质资料。