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| 井下瞬变电磁法多测线探测导水裂隙联合分析应用研究 |
摘 要：矿井瞬变电磁法基于烟圈效应原理，在探测时遇到低阻异常体时会表现体积效应偏大，出现低阻屏蔽现象，单条测线测量结果会与实际结果偏差较大。针对此问题，除了从理论算法上改进，在现场施工时，利用巷道的有效空间，采用多测线联合分析可在一定程度上克服低阻屏蔽现象。本文以庚20-22090下块掘进工作面多测线探测导水裂隙联合分析应用效果进行阐述。
关键字：烟圈效应；多测线；体积效应；导水裂隙；
1、水文地质概况
平煤股份七矿矿井涌水量是较大的矿井之一，属水文地质条件复杂型矿井，特别是现开采庚组煤层赋存在石炭系、寒武系灰岩含水层中，该含水层岩溶裂隙发育、导水性强、与地表水体联系密切，大气降雨及北干渠放水，通过第三系泥灰岩导水通道把各个含水层联系起来，构成了矿井涌水量增大的导水条件。2000年8月，矿井涌水量达到了历史上最大的4750m³/h，因此平煤股份七矿在防治水工作上，一直认真贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，严格落实“查、堵、截、疏、排、探、防、躲”的综合防治水技术措施，又通过几年来对防治水工程的实施，矿井涌水量大大降低了，近几年来矿井正常涌水量稳定在1700m³/h左右。
平煤股份七矿现主要开采庚二采区下山，做为下山的第一个工作面，庚20-22090下块工作面，开采标高在-158～-180米，开掘前距工作面临近的测压孔实测水压为0.2mpa，水位标高-134米，属带压开采。另外庚二采区轨道下山施工过程中揭露一条落差4m左右的正断层，庚二轨道下山施工完成后，在该断层附近有4个出水点，出水总量为150m³/h左右，推断该断层会形成一条由西南向东北的导水裂隙带(断层)，并将延伸到该工作面。如图1所示。
2、矿井瞬变电磁法简介
矿井瞬变电磁法勘探原理基本与地面瞬变电磁法原理相同，是根据地下介质的电性差异，利用多匝小回线装置发射一次脉冲电磁场，然后关断发射电流，在一次脉冲磁场的间歇期，利用接收回线或是探头观测地下介质感应的二次涡流场，通过测量和分析这种二次感应电磁场随时间的衰减变化规律，从而达到解决地质问题目的的一种地球物理勘探方法。
井下瞬变电磁法原理同于地面瞬变电磁法，但是井下瞬变电磁法相对地面瞬变电磁法又有不同的特点，详细如下：
(1)井下瞬变电磁法不能使用地面的单匝大回线装置，而是采用多匝小回线装置；
(2)井下瞬变电磁法所使用的测量仪器为了满足井下煤安防爆要求，一般功率相对较小，发射电流低；
(3)因为井下瞬变电磁法采用多匝小回线装置，在接收感应信号时，受多匝小回线间的自感和互感影响较强，在浅部形成一定的探测盲区；
(4)井下瞬变电磁法观测的是全空间场，现场应用时存在一定的感应信号定向问题，对现场施工要求较高，为资料解释也带来一定困难；
(5)井下施工环境中不规则铁器的分布较多，对瞬变电磁法原始信号采集造成不同程度的干扰，且干扰源复杂多变。
3、井下瞬变电磁法多测线联合探测导水通道可行性分析
根据瞬变电磁场的传播规律分析，在传播过程中电磁波能量从场源以涡流形式近“烟圈”那样传播，随着时间的推移逐步扩散到一定深度，瞬变电磁仪接收到的信号是各层间涡流效应的综合响应值。目前井下瞬变电磁法主要利用晚期信号，如果遇到第一层良导电层时，更深一层介质会由于第一层导电层的屏蔽作用而无法被有效地观测到，表现为一定的低阻放大的效应。在实际应用中导水裂隙带大部分属于近条带状分布，根据瞬变电磁法勘探理论中存在的低阻屏蔽效应，会体现如图2模型所示的情况，实际导水裂隙S1范围面积小，而瞬变电磁法探测结果却显示S2范围面积大。因此根据瞬变电磁法中理论基础分析，单条测线观测系统在应用中对探测一些条带状低阻异常体时，存在与实际异常体形态偏差较大的缺点。
根据瞬变电磁法单条测线观测系统存在的缺点，设计如下多条测线观测系统模型。如图3所示在横向和纵向各100m范围内有一a0范围面积的低阻异常体，在图4所示模型中测线1布置11个瞬变电磁测点，测点点间距为10m，在瞬变电磁法理论基础上，可近似得出a1范围面积大小的测量低阻异常区，对比分析可得，a1的形态范围与a0的形态范围相差较大；在图4所示模型中共布置两条瞬变电磁法测线，分别为测线1和测线2，通过两条测线数据分析，理论上可测得近似a2范围面积的测量低阻异常区，对比分析可得，a2的形态与a0的形态范围具有一定的偏差，但是已经较接近；在图6所示模型中共布置3条瞬变电磁法测线，分别为测线1、测线2和测线3，通过三条测线数据分析，理论上可测得近似a3的低阻异常区，对比分析可得，a3的形态已与a0基本吻合。
经过理论及设计模型分析可得，多条瞬变电磁法测线可一定程度上缩小实际低阻异常区被放大，实际应用于探测条带状的导水裂隙时具有一定的可行性。
4、庚20-22090下块掘进工作面多测线探测联合分析应用
4.1 测线布置
根据庚20-22090下块掘进工作面的实际水文地质情况，在该采面开掘前期，应用瞬变电磁法多测线观测系统对该工作面周围进行物探工作，探测共在工作面布置4条测线，测线1庚二轨道下山侧帮、测线2庚20-22090泄水巷、测线3水仓迎头、测线4庚20-22090机巷迎头，测线详细情况如下。
测线1：在庚二轨道下山侧帮布置，测点点间距2m，共计60个测点，探测方向垂直巷道侧帮。测线2：在庚20-22090泄水巷侧帮布置，测点点间距2m，共计55点，探测方向垂直巷道侧帮。测线3：在水仓迎头布置，每隔10度布置1点，共计15点。测线4：庚20-22090机巷迎头布置，每隔10度布置1点，共计10点。如上所述，四条测线叠加后可得如图7所示的测点覆盖叠加效果及范围。
4.2 结果分析
经过测线1、测线2、测线3、测线4四条测线的原始数据进行干扰校正，归一化处理、视电阻率计算等处理步骤后，将计算所得数据进行组合与坐标转换后成视电阻率等值线图，得出本次瞬变电磁探测庚20-22090下块掘进工作面顺层相对富水异常区成果图，如图9。成果图中定义视电阻率值小于13 区域为相对富水异常区，推断其为裂隙发育导致的富水异常区，并根据此拟定标准，在成果图显示富水异常区中圈定1#、2#、3#三处对庚20-22090下块掘进工作面在掘进过程威胁较大的相对富水异常区，如图8所示。
4.3 验证情况
(1)设备道钻探验证
根据本次物探结果显示，矿方地测科水文组及时发放探放水通知单，首先对2#富水异常区进行超前钻探验证，共布置4个钻孔，详细布置见图9，第二孔(俯角-4°)钻进17米出水35m³/h，根据钻孔记录绘制探水剖面图，见图11钻孔终孔位置标高为-181.1米，进入底板7灰2.2米，并预计测点测1前24--28米范围存在一条落差4米的断层。后经实地揭露在起附近确实存在一条断层。
(2)庚20-22090机巷验证
机巷在掘进过程中针对物探结果圈定的1#富水异常区可能造成的影响，按照相关安全施工技术要求，完善排水系统，掘进至V4’点前31m位置时顶板开始出现滴水，该位置已经进入物探结果圈定的1#相对富水异常区的范围，矿方根据庚二轨道巷出水量大小评估确定靠水泵排水排水能力不够，因此停止掘进，准备沿东北方位施工泄水巷与庚二采区水仓贯通，在V4’点前32m左右施工泄水巷时底板出水，初始水量90m³/h左右，于是矿方又退后至V4’点前25m位置重新施工泄水巷，在该泄水巷于庚二水仓贯通过程中距机巷11m左右位置底板出水，初始水量40m³/h左右。之后机巷实际掘进过程中更改原先设计，根据煤层标高使机巷沿平巷或上山掘进，并在V5点位置又施工一条泄水巷，以保证机巷在掘进过程中的出水及时排到庚二水仓，且机巷在掘进通过物探结果显示相对低阻异常区(图11显示浅蓝色区域)范围时多处出水，以下为机巷出水点及机巷出水点与其他出水点联系详情：
1)2012年12月6日，机巷川1点前12～14.5米范围右顶板及右帮出水，水量约20m³/h,右帮煤岩较破碎。截止12月20日水量减小至10m³/h.截止12月26日该范围涌水减小至2～3m³/h。
2)2012年12月10日，机巷测点V5前7～12米右帮范围出水，水量约25m³/h，应为裂隙出水。庚二轨道下山上部水量减少至1～2m³/h。
3)2012年12月15日，机巷测点V6前13.5米左帮裂隙出水，出水量约15m³/h。
4)2012年12月20日机巷测点V6前26.3米处顶板及左底板出水，水量约65m³/h。顶板处有一条裂隙，南北长0.5m，东西宽0.1m。此处出水后川1点前12～14.5米范围及测点V5前14米处的右帮出水量减小至10m³/h。设备道水量减少至2～3m³/h。
5、结论
(1)多测线探测联合分析对数据处理要求较高，需针对不同的探测背景条件进行详细的数据校正分析，然后组合数据联合分析。
(2)井下瞬变电磁法多测线探测联合分析具有一定的可行性，能在一定程度上缩小瞬变电磁法表现的体积效应。在实际应用中可利用瞬变电磁法在井下施工探测方向灵活的特点可针对某一地质问题，有效利用巷道空间布置多条测线，提高探测精度。
参考文献：
[1]于景邨，刘志新，汤金云.《用瞬变电磁法探查综放工作面顶板水体的研究》.中国矿业大学学报，2007.
[2]杨海燕.矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布规律研究.徐州：中国矿业人学，2009.
[3]姜志海.巷道掘进工作而瞬变电磁超前探测机理与技术研究.徐州：中国矿业人学，2008.
作者简介：
李松（1984—），男，河北保定人，本科毕业于安徽理工大学地质工程专业，现从事矿井物探工作。
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