李新云 李新寬 趙 華

1，河南省鶴壁市安全生產(chǎn)監(jiān)察大隊 458030

2，河南生鶴壁鶴安東頭煤業(yè)有限公司 458020 3，河南省滎陽市徐莊煤礦 450100

瞬變電磁儀在煤礦巷道探測中的應(yīng)用

李新云1李新寬2趙 華3

1，河南省鶴壁市安全生產(chǎn)監(jiān)察大隊 458030

2，河南生鶴壁鶴安東頭煤業(yè)有限公司 458020 3，河南省滎陽市徐莊煤礦 450100

煤礦采用瞬變電磁儀對井下西翼回風(fēng)巷進(jìn)行探測，測量后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和資料分析，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)情況，對西翼回風(fēng)巷掘進(jìn)頭超前探測成果進(jìn)行了綜合分析，并圈定了掘進(jìn)頭前方的富水異常區(qū)。在開采過程中，參照探測結(jié)果對圈定的富水異常區(qū)地段布置鉆探工作，進(jìn)行近距離的精確探測，以確保礦井安全生產(chǎn)。

瞬變電磁儀；巷道探測；煤礦井下

一、概況

由于本礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為確保礦井的安全生產(chǎn)，煤礦在巷道掘進(jìn)過程中認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家有關(guān)煤礦防治水方面的法律、法規(guī)、條例和規(guī)定等，堅持“有掘必探，先探后掘”的原則，先物探，再鉆探，對探測資料分析后，再進(jìn)行巷道的掘進(jìn)。由于采用直流電法儀探測時，物探的成果精確度不高，可靠性低。為了提高探測精確度和可靠性，本礦首次采用瞬變電磁儀對井下掘進(jìn)巷道進(jìn)行探測。

二、地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地層概況

本礦區(qū)屬新近系和古近系全掩蓋區(qū)。據(jù)鉆孔及井巷工程揭露資料，地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、三疊系下統(tǒng)劉家溝組及和尚溝組、新近系，其中石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為主要含煤地層。

2.2 水文地質(zhì)概況

（一）主要含水層

（1）二1煤層頂板裂隙含水層

指煤層之上60m范圍內(nèi)所含砂巖或斷層角礫巖裂隙含水層，累計厚度介于5～60m，平均在30m左右，該含水層自二1煤層頂界面向上巖石破碎程度逐漸減弱，巖性致密，裂隙不發(fā)育，且部分被方解石脈所充填，僅在淺部風(fēng)化帶裂隙較為發(fā)育。該含水層為二1煤層頂板直接充水含水層。

（2）二1煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙含水層

主要由太原組上段L7～L9灰?guī)r組成，其中L7和L8灰?guī)r較發(fā)育，層位較穩(wěn)定，厚度為1～20m, 一般10m左右。該層為二1煤層底板直接充水含水層，礦井生產(chǎn)中在遇到底板斷裂時，可使該層水導(dǎo)入礦坑，尤其是當(dāng)其與下部奧灰水溝通時，水量一般較大，對開采二1煤層的影響較大，往往造成突水淹井事故，因此對礦井生產(chǎn)安全影響較大。

（3）一1煤層頂板灰?guī)r巖溶裂隙含水層

為太原組下部灰?guī)r段，主要由L1～L3灰?guī)r和砂巖組成，砂巖與L1灰?guī)r層位比較穩(wěn)定，L3、L2灰?guī)r在短距離內(nèi)有突然尖滅或增厚現(xiàn)象。該段灰?guī)r最大厚度27m，最小4.04m，一般為15～21m；砂巖最大厚度為16.87m，最小為0.00m, 平均厚12.09m。該含水層為一1煤層頂板直接充水含水層，與下部寒武～奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水有明顯聯(lián)系。

（4）寒武～奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層

區(qū)域揭露該層厚度為130～237m，巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾薄層或厚層石灰?guī)r組成，局部夾中厚層鋁土質(zhì)泥巖，寒武～奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層水量充沛，水循環(huán)交替性好，水質(zhì)優(yōu)良，但其含、富水性極不均一。該含水層為一1煤層底板直接充水含水層，也是區(qū)內(nèi)重要含水層。

（二）主要隔水層

（1）二疊系石盒子組碎屑巖段隔水層

該層段殘留厚度一般大于300m，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等碎屑巖組成，以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，間夾數(shù)層中厚層狀中粗粒砂巖含水層。該層段厚度大，在地表呈零星出露，地面坡度大，補給條件不佳，裂隙不發(fā)育，透水性差，能對上部新近系孔隙潛水含水層和下部二1煤層頂板砂巖承壓含水層之間的水力聯(lián)系，起到良好的阻隔作用。

（2）二1煤層底板碎屑巖段隔水層

系指二1煤層底界至L7灰?guī)r頂界之間的薄層灰?guī)r和砂泥質(zhì)巖段，巖性以砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)粒砂巖為主。據(jù)統(tǒng)計，厚度介于5～40m，平均20m左右，厚度變化較大，層位不穩(wěn)定。巖石裂隙不發(fā)育，透水性差，隔水性能良好，但因其厚度變化較大，使其在局部地段隔水作用相對減弱。

（3）太原組中段碎屑巖段隔水層

自L5灰?guī)r頂上至L7灰?guī)r底面間的碎屑巖段，由中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖組成。間夾薄層灰?guī)r透鏡體（L6灰?guī)r）。該層段沉積厚度為11.30～36.85m，一般25m左右，該層段在地表呈零星出露，補給條件不佳，裂隙不發(fā)育，透水性差，具有良好的阻隔水作用，是太原組上、下段灰?guī)r含水層之間的良好隔水層。

（4）本溪組泥巖鋁土巖隔水層

主要由泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、鋁土巖（礦）組成，厚度3.3～31.0m，一般在10m左右。該層層位較穩(wěn)定，力學(xué)強度弱～中等，巖性致密，裂隙不發(fā)育，透水性差，富水性弱，正常情況下是一1煤層底板的良好隔水層，對于阻隔下部寒武～奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水充入一1煤礦坑起著重要的阻隔作用。但在其沉積薄弱地段或遭受構(gòu)造破壞時和在高壓地下水作用的條件下，則會弱化或失去隔水作用。

三、地球物理電性特征

理論上講，干燥巖石的電阻率值很大，但實際上，地下巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降，即賦水性的不均勻程度在瞬變電磁參數(shù)圖件上反映為電阻率的高低變化。受構(gòu)造運動或地下水作用的影響，巖層破碎或裂隙越發(fā)育，破碎程度及其含水的飽和度越大（砂巖、灰?guī)r富水性增強），巖石的導(dǎo)電性會顯著增強，地層電阻率會明顯降低，斷面圖上會有明顯的低阻異常反映。

四、瞬變電磁儀探測工作原理及原始數(shù)據(jù)采集

瞬變電磁儀探測是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。

井下瞬變電磁勘探只能在巷道內(nèi)進(jìn)行，一般利用多匝小線圈采用剖面裝置方式進(jìn)行發(fā)射和接收。本次探測使用澳大利亞TERRA TEM瞬變電磁儀，發(fā)射線圈和接收線圈框重疊，兩線圈軸線指向目標(biāo)體（圖4-1）。發(fā)射和接收線圈都為2m×2m的多匝線圈。

圖4 -1 瞬變電磁法超前探測裝置示意圖

五、數(shù)據(jù)處理與資料解釋分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

探測方向平面示意圖 5-1

瞬變電磁法觀測到的資料是各測點各個時窗（測道）的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以便對資料進(jìn)行解釋。處理步驟主要分為三步：

（1）濾波：在資料處理前首先要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲，對資料進(jìn)行去偽存真；

（2）時深轉(zhuǎn)換：瞬變電磁儀器在野外觀測到的是二次場電位隨時間的變化，為便于對資料的認(rèn)識，需要將這些數(shù)據(jù)變換成電阻率隨深度的變化，目前資料處理主要采用視縱向電導(dǎo)解釋進(jìn)行一維層狀反演解釋相結(jié)合進(jìn)行；

（3）繪制等視電阻率電性斷面圖。

5.2 資料解釋分析

本次對煤礦井下西翼回風(fēng)巷進(jìn)行了超前探測，掘進(jìn)頭除了正前方的探測，還進(jìn)行了左偏30°、45°、60°，右偏30°、45°、60°的探測，及仰45°、俯45°的探測。

巷道超前探測每個探測方向用數(shù)字來表示： 10、15、20號表示正前偏左60°、正前偏左45°、正前偏左30°方向；25、30、35號表示正前方；40、45、50號分別表示正前偏右30°、正前偏右45°、正前偏右60°方向。（探測方向平面示意圖 5-1）

煤礦井下西翼回風(fēng)巷的探測資料及分析如圖5-2,5-3,5-4。

以上三圖分別為西翼回風(fēng)巷探測仰45°、正前方向、俯45°方向電性斷面圖，橫坐標(biāo)上的數(shù)字表示探測的方向，縱坐標(biāo)表示探測距離。

該巷道掘進(jìn)頭位置位于導(dǎo)線點W100前37m，探測正前方向與掘進(jìn)方向一致。

掘進(jìn)方向仰45°探測（圖5-2）：該圖顯示，在45號方向，距離60～80m范圍有一低阻異常區(qū)，異常區(qū)范圍較小，相對異常差值不大，推斷賦水性較弱。

正前方向探測（圖5-3）：整體視電阻率值較高，電性結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常。

掘進(jìn)方向俯45°探測（圖5-4）：整體視電阻率值較高，電性結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常。

六、結(jié)論及建議

（一）結(jié)論

經(jīng)資料處理后，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)情況，對西翼回風(fēng)巷超前探測成果進(jìn)行了綜合分析，并圈定了巷道掘進(jìn)頭前方的富水異常區(qū)。

圖 6-1西翼回風(fēng)巷物探成果圖

西翼回風(fēng)巷1#異常區(qū)范圍小，相對異常差值不大，賦水性較弱，僅在仰45°斷面圖中反應(yīng)明顯，其他兩斷面圖整體電性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，視電阻率阻值較高，對巷道掘進(jìn)影響不大；2#異常區(qū)范圍小，相對異常差值不大，僅仰45°方向反應(yīng)（見圖6-1），但距掘進(jìn)方向距離較近，影響稍大，生產(chǎn)過程中注意水文觀測。

（二） 建議

1）存在問題

富水區(qū)的劃分和賦水強度的分級是相對的，劃分的主要依據(jù)是視電阻率值的高低，但引起電阻率變化的因素是多樣的，井下全空間范圍干擾因素眾多，諸如工業(yè)用電、大型金屬設(shè)備、巷道支護因素等，對探測結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

2）建議

①建議在開采過程中，參照本次探測結(jié)果對圈定的富水異常區(qū)地段布置鉆探工作，進(jìn)行近距離的精確探測，以確保安全生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中及時將井下揭露地質(zhì)水文情況和出水量等反饋給地測部門，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)定量修正，更好地為礦井安全生產(chǎn)服務(wù)。

②由于一1煤底板隔水層厚度變化較大，層位不穩(wěn)定，對礦井防治水、安全生產(chǎn)影響較大。建議施工中加強對巷道底板管理，對巷道底板安全性、厚度及其下伏含水層的賦水性進(jìn)行探測，為礦井防治水提供物探地質(zhì)參考資料。

[1]儲紹良 主編.礦井物探應(yīng)用.煤炭工業(yè)出版社.1955

[2]霍金明，王玉海,等主編.瞬變電磁法在煤礦水害預(yù)測防治中的應(yīng)用.西安工業(yè)大學(xué)出版社.1994

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.017

作者信息李新云,河南省滎陽市徐莊煤礦；出生年月：1964年7月；性別：男；籍貫：河南省滑

縣；職稱：工程師；學(xué)歷：本科；畢業(yè)院

校：河南理工大學(xué)；專業(yè)：采礦工程；畢業(yè)時間：2009年1月。

李新寬,鶴壁市淇濱區(qū)九州路市政府第二綜合樓一樓市安監(jiān)局；出生年月：1973年6月；性別：男；籍貫：河南省滑縣；職稱：助理工程師；職務(wù)：鶴壁市安全生產(chǎn)監(jiān)察大隊副隊長；學(xué)歷：本科；畢業(yè)院校：河南理工大學(xué)；專業(yè)：電氣自動化；畢業(yè)時間：2007年1月

趙華,鶴壁市鶴安東頭煤業(yè)有限公司；出生年月：1968年5月；性別：男；籍貫：河南省南樂縣；職稱：助理工程師；職務(wù)：鶴壁市鶴安東頭煤業(yè)有限公司副礦長；學(xué)歷：大專；畢業(yè)院校：河南理工大學(xué)；專業(yè)：機電工程；畢業(yè)時間：1999年7月