张平松¹，程桦²，吴荣新¹，郭立全¹，胡雄武¹
(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；
2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)

摘 要：对于水文地质条件复杂的矿井，巷道掘进过程中要求“有掘必探”，通过跟踪覆盖方式进行连续超前探测与预报，为巷道安全生产提供技术保障。矿井瞬变电磁法为非接触式探测，其多匝小线框发收系统有利于井下掘进工作面连续跟踪超前探测施工与应用。其数据采集时保持每一次探测使用的仪器设备、现场工作技术方法、数据处理与解释方法等过程基本一致，确保探测预报条件的相对稳定，进一步提高对含水异常体预测的可对比性和准确性。淮南及新集矿区煤岩巷道探测结果表明，采用瞬变电磁法连续超前探水，对巷道前方含水异常体的预报效果良好，所判断的含水异常区段为超前钻探及防治水技术措施制定提供依据。
关键字：超前探水；跟踪探测；瞬变电磁法；巷道掘进
1 引言
        坑道掘进面前方岩层富水性评价一直是地下工程安全生产关注的内容，尤以矿井建设生产最为突出。随着开采深度的增加，矿井巷道掘进地质条件变得越来越复杂，为保障施工安全，一些水文地质条件复杂矿区矿井防治水技术要求已由过去“有疑必探”转变为“有掘必探，先探后掘，先治后采”，加强了现场探测工作的力度。具体来说，对于水文地质条件简单、水害影响小的地段，可采用物探或钻探方法超前探测，而对于水文地质条件复杂的区域，则要求采掘工程进入探水范围时，必须以钻探为主，物探相辅助，且所有物探异常区必须经过钻探验证。可以看出，将巷道前方地质问题探测预报常态化，已成为矿井日常地质管理工作中的一个重要环节。根据物探技术特点，采用瞬变电磁法，必要时与直流电阻率法相综合，进行超前预报可以获得较为理想的探水效果^{［1～4］。}薛国强(2002)、岳建华(2006)、于景邨(2007)等对瞬变电磁法在矿井及坑道超前探测中的原理算法、方法技术及应用等内容进行了不同程度的研究^{［5～8］。}瞬变电磁超前探测单次控制距离为100m左右，现场实施时对于长距离巷道多采用连续跟踪方式，即按照勘探距离布置探测次数，每一次探测控制100m，根据探测情况可掘进80m，当到达位置时再进行下一次施工，如此循环，不断向前延伸，完成整条巷道的掘进保障任务。目前，随着“有掘必探”技术要求的不断深入，跟踪超前探测正不断地被采用，利用物探与钻探相互验证，交叉掩护掘进，有效构建地质安全保障体系。
2 瞬变电磁跟踪超前探测技术
        在坑道超前探测方法中，对岩层富水条件较为敏感的主要为瞬变电磁法和直流电法，其中瞬变电磁法现场探测施工简单，近年来得到了较好的发展。通常煤层、灰岩或富水性差的岩体表现为相对高电阻率值，而裂隙发育、断层带、采空区等富水空间则表现为相对低电阻率值，富水区与周边围岩存在明显的电性差异，这是瞬变电磁法探查巷道掘进工作面前方水文异常条件的基础。
        瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，它是通过在发送回线上供一个电流脉冲方波，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在脉冲间歇瞬间，受一次磁场变化激励，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掘进工作面传播，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(图1)。如按不同的延迟时间测量和记录接收线圈感应电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。地下无良导体时，曲线衰减较快，地下存在良导体时，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。

        根据采用的多匝小回线装置视电阻率计算，目前大多采用经典的半空间均匀场晚期计算公式：

        式中：ρ_τ为视电阻率；μ0为真空中的磁导率；S为单匝发射回线面积，s为单匝接收回线面积，单位均为㎡；N和n分别为发射和接收线圈匝数；V和I为感应电动势和电流，其单位分别为V和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，单位为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^{［9～12］。}
        测试点测道深度hi计算时，设前一个测道时间和计算深度分别为t_i－1和h_i－1，本测道的时间ti，晚期电阻率ρ_i，则h_i为：

式(2)是由趋肤效应公式推导而来，其主要经过传播深度d、传播速度V的推导，然后演化成。式(2)表达的含义就是在相邻时刻内，电 磁场传播的距离，由此可见，第一个深度H0就是0时刻电磁传播的位置，故而h₀=0。由此可以逐点计算每一测深点电阻率曲线，获得整个测试断面的电阻率剖面。为了提高对纵横向电阻率的差异分辨，数据处理时沿剖面的X和Y方向分别求导，计算电阻率梯度，根据梯度图中差异大的区域进行异常体分析，其效果较好。
3 跟踪超前探测应用分析
3.1 坑道掘进地质条件
        淮南新集某矿2101采区运煤上山全长约420m，该巷道沿1煤组顶板掘进，1上煤厚平均2.6m，1煤厚平均4.0m，两层煤之间夹一层厚0～1.1m的泥岩。掘进巷道中断层、褶曲，局部煤(岩)层裂隙发育，压性滑面丰富。掘进中存在的水害主要包括1煤顶、底板砂岩裂隙水，和1煤底板太原组灰岩水，其中底板下灰岩层中上段的1灰距离巷道垂直距离为18～20m。相关资料表明，本区灰岩层属于富水性中等～较强的含水层。由于灰岩富水不均一，且存在局部导水构造，为保障巷道掘进安全，通常在构造简单区段采用瞬变电磁法超前探测，在构造复杂区段与直流电法相结合，综合探测与分析巷道前方及顶底板100m范围内岩层电性分布，对探测区域内可能存在的富水异常做出定性评价。
3.2 连续探测剖面与验证
        超前探测采用YCS40(A)型矿用瞬变电磁仪，按照“U”形观测系统布置(图2)，在运煤上山巷道掘进工作面布置11～13个测点，以巷道迎头立面中心为原点，沿巷道左帮、迎头和右帮实施数据采集，共获得三个方向33～39个测深点。数据采集采用重叠回线装置，其中发射频率为8.3Hz；发射线框边长2.0m，匝数6匝；接收线框边长2.0m，匝数12匝，现场数据采集质量好。

        数据处理时以巷道测点为控制点，巷道掘进工作面为相对零点，巷道掘进方向为X轴正方向。这里选择其中的两次连续探测加以说明。
3.2.1 Y5+52点探测与验证
        图3为2010年3月9日运煤上山巷道Y5+53m处瞬变电磁超前探测结果图，反映探测面前方0～100m地质体的电性分布情况。其中顶板方向视电阻率值总体分布在10Ω•m以上，但70～85m段局部表现相对较低，分布在10Ω•m以下，判断该范围顶板砂岩裂隙发育且少量含水。顺层方向与顶板探测结果相似，在70～80m段视电阻率值低于10Ω•m。前方底板方向0～100m范围内视电阻率值均表现在10Ω•m以上，表明探测前方底板岩层富水性差。

        结合区内地质资料分析认为：掘进面前方顶板、顺层和底板3个方向视电阻率值总体较高，解释前方Y5+53～Y5+153m段岩层总体富水性差，但在Y5+123～Y5+138m段视电阻率表现较低，判断该段岩层裂隙发育，少量含水；其它探测区域视电阻率值表现相对较高，岩层富水性差。

        探测后巷道掘进90m至Y5+143m处，施工中，巷道周边无水文地质异常，但在探测低阻区域处，巷道由煤层变为岩层(图4)，即探测预报低阻区为岩性变化引起低值反应。总体而言，3月9日探测结果可靠，为掘进生产提供了有效的地质技术参数。
3.2.2 Y8+47点探测与验证
        2010年3月27日探测为3月9日后的跟踪探测，其预报结果认为：巷道前方岩层视电阻率值均大于10Ω•m，判断超前探测范围内岩层富水性差。
        从3月27日探测位置后巷道掘进Y8+137点，其间巷道周边无水文地质异常，巷道内岩性由岩层逐渐恢复到煤层掘进条件(图5)。目前运煤巷道掘进工作面处顶板方向为砂岩层，巷道内为煤层，底板下为砂岩。

        与单次超前探测相比较，跟踪探测对掘进生产的指导意义更大，其特点和优势在于，一是通过连续布测，对巷道岩层地电场条件进行系统分析与掌握，便于电性参数计算及预测精度提高；二是通过多次探采对比获得对巷道前方不同地质条件的认识，为电性参数定量化评价与解释创造条件；三是跟踪探测完成对巷道掘进空间的全覆盖，有效保障巷道掘进安全。跟踪超前探水在技术应用中还需注意几个方面问题。

        (1)数据采集与处理中，要求尽量减少现场金属干扰，测试时需对掘进面后方15m内可移动金属物件进行移除，机械设备处于断电状态，尽量减少人文电磁噪声。
连续跟踪超前探测要求探测数据可比性好，现场数据采集时每一种方法必须做到几个固定，即仪器设备固定、采集观测系统固定、技术人员相对固定，目的是确保每一次探测的“系统误差”最低，提高数据采集的有效性。

        瞬变电磁剖面提供前方岩层相对电性差异，数据处理时所采用的技术参数、经验系数相对固定，剖面表达中使用的电阻率色标相对固定，确保单次连续剖面的可对比性。
      (2)地质解译中，对巷道前方地质异常体的富水性判断多以定性解释为主，即找出相对异常区并判定其性质，因瞬变电磁和直流电阻率法所计算的电阻率值含义有差别，判断时多采用不同的异常判断标准。
淮南矿区瞬变电磁超前探测中，尝试以10Ω•m为低电阻率值判断标准，低于10Ω•m判断为低阻异常，且不同深度的岩层探测中有所差别。
结合相对低阻异常的判断准则，通过多次对比，可以掌握探测区域的岩层电性特征差异，逐步建立岩煤层电阻率与岩层富水之间的相关关系，为探测岩层富水定量评价提供依据。根据不同岩层的电阻率差异，还可对低于标准以下的电阻率值细分，对岩层弱、中等、强富水条件进行初步解释，实现半定量评价。

        (3)钻探验证中，与电磁法探测结果相配合，对前方构造及其含水异常进行有效探测。由于电磁法异常多为体积效应，其结果可控制掘进面前方整体水文异常分布，利于确定钻探施工的重点区域。钻探和物探结果的综合既克服钻孔“一孔之见”，又能对前方地质条件全面认识，确保巷道掘进安全。
        (4)工程应用中，岩、煤巷道跟踪探测存在一定差异，电磁法探测时煤巷掘进工作面前方低阻异常体较岩巷探测效果显著，其原因在于煤层为相对高阻，通常阻值在几千Ω•m以上，而含水异常体阻值多在几Ω•m，煤巷探测是在高阻体中判别低阻区，其分辨率高。而岩巷探测时岩层电阻率值相对较低，多为几十Ω•m，因此需在相对低阻体中判别更低阻值异常体，其分辨能力降低。这一特性要求在跟踪探水时需加强地质解释，提高对异常体的预报能力。

4 结语
        (1)利用瞬变电磁法对前方含水异常进行跟踪探测，其控制距离为100m左右，现场可掘进80m保留20m安全距离，再重复下一次探测，现场可做到全覆盖探测，保障巷道掘进安全。
        (2)利用视电阻率值进行岩层富水特征判断，其临界值是准确判断的基础，目前仅结合测试巷道条件进行综合分析，还存在不足，这是今后深入研究的方向。
        (3)跟踪超前探水通过对掘进地质条件的多次验证，可逐步建立岩煤层电阻率与含水量之间的相关关系，为含水异常半定量化评价提供支持。
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