馬延君 孟 明

（1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.北京中地英捷物探儀器研究所，北京 102200）

礦井水害長期以來一直制約著我國煤礦資源的安全高效開采，煤層底板突水或老空區(qū)出水淹井事故時(shí)有發(fā)生。超前探測巷道掘進(jìn)前方及工作面頂?shù)装鍘r層中的水害源的位置和水量狀況，對減少或杜絕巷道掘進(jìn)以及工作面頂?shù)装逅κ鹿实陌l(fā)生具有重要意義。作為一種非接觸式的快速勘探技術(shù)，多匝小回線裝置形式的礦井瞬變電磁法在井下巷道內(nèi)直接采用線圈來探查其周圍空間異常富水體，既適合井巷條件又克服了接地條件對探查結(jié)果的影響，在礦井水害的超前探測中應(yīng)用非常廣泛。為此，筆者在山東某礦底板富水性的超前預(yù)報(bào)中采用了礦井瞬變電磁法，對該礦3702 工作面未采區(qū)底板含水巖層富水情況進(jìn)行了探測，探測結(jié)果與鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 軌道巷90°方向電阻率色譜斷面圖

圖2 軌道巷30°方向電阻率色譜斷面圖

圖3 軌道巷45°方向電阻率色譜斷面圖

1 井田地質(zhì)地球物理特征

井田為全隱蔽的華北型石炭、二迭系煤田。煤系以中、下奧陶地層為基底，沉積了中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組、下二迭統(tǒng)山西組、下石盒子組，上二迭系上石盒子組，其上覆蓋是第三系和第四系。井田構(gòu)造為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角一般5～8°，部分地層（13 層煤露頭部位及深部）大于10°，三維區(qū)主體為一寬緩的單斜構(gòu)造形態(tài)，地層傾角一般為4～7°，淺部地段可達(dá)15°。次一級褶曲不甚發(fā)育，有三層巖漿巖侵入，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。主要斷層為F15，走向北北東，傾向北西西，落差較大；另外區(qū)內(nèi)還有一定數(shù)量的較小斷層。井田巖漿巖侵入的厚度、范圍和侵入層位較大，而且在山西、太原組煤系地層中基本形成三層侵入巖床，活動較強(qiáng)烈，對煤層、煤質(zhì)均有相當(dāng)大的影響。井田含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二迭統(tǒng)山西組，平均總厚度260.85m，井田可采煤層及局部可采煤層5 層。

3702 工作面底板巖層主要為粉砂巖、細(xì)砂巖，威脅7 煤安全開采的主要含水層為巖漿巖含水層，當(dāng)巖層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎且不含水時(shí)將呈現(xiàn)比正常巖層電阻率高的電性特征；若裂隙、構(gòu)造破碎帶中含礦井水，由于礦井水的礦化度較高，測量電阻率值將明顯低于正常巖層的電阻率，呈現(xiàn)低電阻率異常特征，其低阻異常程度取決于巖層中富水程度。

在斷層發(fā)育區(qū)，斷層破碎帶與正常地層在電性上具有明顯差異，當(dāng)斷層破碎帶不含水時(shí)，將呈現(xiàn)高電阻率特征，而當(dāng)斷層破碎帶含水時(shí)，將呈現(xiàn)出低電阻率特征。

據(jù)此，通過瞬變電磁測深法探測煤層頂?shù)装鍘r層電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和富水性，這是本次瞬變電磁法探測巖層富水性的物理前提。

2 工作方法與技術(shù)

圖4 3702 工作面底板下30 米（a）、60 米（b）、80 米（c）視電阻率順層切片圖

礦井瞬變電磁探測采用的儀器為加拿大PROTEM-47 型瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集由微機(jī)控制，自動記錄和存儲，與微機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。由于探測采用小線框，點(diǎn)距可以根據(jù)勘探任務(wù)要求變化。實(shí)際測量時(shí)，采用多匝線框，在巷道側(cè)幫測量時(shí)，線框平面可根據(jù)探測任務(wù)的要求設(shè)計(jì)相應(yīng)探測方向。發(fā)射線框和接收線框分別為匝數(shù)不等、且完全分離的兩個(gè)獨(dú)立線框，以便與地下（前方）異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。若發(fā)射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布；若發(fā)射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測巷道側(cè)上方頂板或側(cè)下方底板一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷頂板或底板巖層的富水性。

為了使探測范圍能夠全部或基本全部覆蓋3702 工作面底板富水范圍，滿足探測地質(zhì)任務(wù)的要求，根據(jù)3702 工作面實(shí)際采掘條件，在3702 工作面軌道巷和運(yùn)輸巷各設(shè)計(jì)了90°、45°、30°（發(fā)射線圈平面法線方向與水平面的夾角）3 個(gè)不同的探測方向，基本上覆蓋了3702 工作面底板深度100m 內(nèi)的范圍。

本次探測軌道巷3 個(gè)探測方向的點(diǎn)距20m，測線長度930m；運(yùn)輸巷點(diǎn)距20m，測線長度850m。礦井瞬變電磁法在井下巷道中采用多匝數(shù)小回線測量裝置，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定裝置參數(shù)為：回線邊長1.5m×1.5m；回線匝數(shù)84 匝；采用30 門模式，重復(fù)頻率25Hz；延遲時(shí)間6μs；發(fā)射電流：2.9～3.1A；測量裝置選擇偶極測量裝置。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理和解釋處理。預(yù)處理包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與質(zhì)量檢查、極性校正、測線和測點(diǎn)編輯、磁場計(jì)算等（即由磁場變化率Bz/T 求取Bz，Bz 是磁場的垂直分量）等，解釋處理包括計(jì)算全程視電阻率、一維反演計(jì)算、電阻率成像變換、擬二維電阻率剖面和電阻率順層切片等，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Surfer 繪圖軟件所需的格式，利用Surfer 軟件繪制TEM 各探測方向二維電阻率剖面圖以及電阻率順層切片平面圖。

4 成果分析

4.1 探測方向電阻率剖面圖

探測方向電阻率剖面圖是通過視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換后形成的擬二維電阻率剖面圖，電阻率色譜變化反映了測線沿探測方向的電阻率分布特征，并根據(jù)其分布特征進(jìn)行水文地質(zhì)解釋。因井下巷道中金屬支架和軌道的影響，反演電阻率值將小于實(shí)際地層的電阻率值，但這種影響在大部分測段具有統(tǒng)一性，可作為系統(tǒng)偏差來考慮，不影響通過電阻率的相對變化的大小進(jìn)行地層富水性解釋。下面以軌道巷探測方向視電阻率剖面圖（圖1、2、3）為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

從探測方向視電阻率剖面圖來看，結(jié)合已知信息，3702 工作面底板富水主要是由于巖漿巖富水所致。其中相對較強(qiáng)富水區(qū)段為圖中虛紅線包圍區(qū)域推測是由于巖漿巖破碎所致；中等富水區(qū)段為紫實(shí)線和虛紅線中間范圍；其余區(qū)段電阻率相對較高，推斷砂巖富水性相對較弱。在軌道巷90°探測方向30-80 米發(fā)現(xiàn)富水相對較強(qiáng)的條帶1 個(gè)；在軌道巷45°探測方向發(fā)現(xiàn)富水較強(qiáng)的區(qū)域4 個(gè)，分別標(biāo)注為A1、A2、A3、A4，但異常范圍較?。辉谲壍老?0°探測方向發(fā)現(xiàn)富水較強(qiáng)的區(qū)域5個(gè)，大部分連續(xù)性較好，推斷在該層位距離軌道巷較近的區(qū)域富水程度較高。

4.2 目的層視電阻率等值線切片圖

根據(jù)各剖面圖目的層電阻率的分布形態(tài)，影響3702 工作面安全開采的突水威脅主要為底板的巖漿巖富水，考慮到地層傾向變化，因此電阻率順層切片圖數(shù)據(jù)取自軌道巷和運(yùn)輸巷各自的三個(gè)探測方向（90°、45°、30°），分別為底板下30米、60 米和80 米。該順層切片圖（圖4）反映了巖漿巖在工作面探測范圍內(nèi)的電阻率分布特征，可以根據(jù)其分布特征進(jìn)行水文地質(zhì)解釋，分析3702 工作面底板下含水巖漿巖分布情況。

從3702 工作面順層切片圖來看，并結(jié)合已知信息，劃定了三類富水區(qū)域：藍(lán)色曲線圈定范圍為強(qiáng)富水區(qū)域，紫色曲線圈定范圍為相對強(qiáng)富水范圍，黃色曲線圈定范圍為弱富水區(qū)域。具體在底板下30米位置，軌道巷測線點(diǎn)號30-37 處強(qiáng)富水；在底板下60 米位置，軌道巷測線點(diǎn)號點(diǎn)0-1、6-10、14-22、25-29 這4 處位置強(qiáng)富水，在底板下80 米位置，運(yùn)輸巷測線點(diǎn)號20-27 處為強(qiáng)富水區(qū)域?？傮w上來說，隨著深度的加大，強(qiáng)富水范圍逐漸向運(yùn)輸巷方向偏移，且深部整體富水范圍較淺部為大。

結(jié)論

本次勘查以瞬變電磁法為主要技術(shù)手段，通過對其反演數(shù)據(jù)的認(rèn)真分析，結(jié)合測區(qū)地質(zhì)條件和鉆井資料，基本查清了3702 工作面底板的富水性。探測結(jié)果與鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合，證明探測效果良好，為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支持和安全保障，說明瞬變電磁法在礦井掘進(jìn)巷道前方或旁側(cè)的含水構(gòu)造及巖層的含水性探測等方面的礦井水害預(yù)測防治中具有重大的實(shí)用價(jià)值。

[1]牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2007.

[2]張平松,劉盛東,李培根等.礦井瞬變電磁探測技術(shù)系統(tǒng)與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2011,26（3）:1107-1114.

[3]劉振慶,于景邨,胡兵等.礦井瞬變電磁法在探查迎頭前方構(gòu)造中的應(yīng)用[J].物探與化探,2011,35（1）:140-142.

[4]占文鋒,王強(qiáng),牛學(xué)超.采空區(qū)礦井瞬變電磁法探測技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38（8）:115-117.