沈福斌，周子鵬，古 瑤，耿 清

(陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

我國(guó)的礦井水文地質(zhì)條件是世界上最復(fù)雜的國(guó)家之一，水害一直困擾著煤礦的生產(chǎn)。尤其是在煤層厚度較大的礦井，隨著導(dǎo)水裂隙帶增高，受水害的威脅越大，甚至還有大量的煤炭資源由于煤層上部水害及構(gòu)造的發(fā)育而不能及時(shí)開(kāi)發(fā)利用，長(zhǎng)期形成滯留儲(chǔ)量，故提前做好礦井水體、構(gòu)造的探測(cè)是礦井災(zāi)害預(yù)防的關(guān)鍵技術(shù)，必須加以重視。

1 水文探測(cè)的工作原理及裝置

1.1 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法(TEM)觀測(cè)的是二次場(chǎng)，可在近區(qū)進(jìn)行觀測(cè)(采用重疊回線裝置)，屬于全空間效應(yīng)的勘探方法。其原理是利用不接地回線在井下巷道內(nèi)設(shè)置通以一定電流的發(fā)射線圈，并在其周?chē)臻g產(chǎn)生穩(wěn)定的一次電磁場(chǎng)。當(dāng)電流突然斷開(kāi)時(shí)，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失，為維持電流斷開(kāi)之前存在的磁場(chǎng)，巖層中被激發(fā)出感應(yīng)電流，產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場(chǎng)。發(fā)射電流斷開(kāi)的瞬間，最初激發(fā)的感應(yīng)電流集中于巷道附近巖層中，隨著時(shí)間的推移，巷道周?chē)母袘?yīng)電流逐漸向外擴(kuò)散，其強(qiáng)度逐漸減弱。在斷開(kāi)發(fā)射電流的任一時(shí)刻，感應(yīng)電流在巷道內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀的電流磁場(chǎng)，這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線“吹”出來(lái)的一系列煙圈，因此將巷道頂、底板導(dǎo)電巖層中渦旋電流向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱(chēng)為“煙圈效應(yīng)”，如圖1所示。

圖1 “煙圈效應(yīng)”示意圖

瞬變電磁勘探有多種工作裝置，常用的有偶極-偶極裝置、大定回線源裝置、同點(diǎn)裝置，由于同點(diǎn)工作裝置具有定向性好，具有測(cè)深測(cè)量和剖面測(cè)量的雙重工效及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適合于井下全方位探測(cè)，且探測(cè)距離大、分辨率高、施工快捷，故選擇同點(diǎn)工作裝置的重疊回線形式工作。

1.2 無(wú)線電磁波透視法

無(wú)線電磁波透視法也稱(chēng)坑透法，電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性不同，對(duì)電磁波能量吸收不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過(guò)煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構(gòu)造時(shí)，波能量被吸收或完全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號(hào)或收不到透射信號(hào)，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對(duì)電磁波的影響所造成的無(wú)線電波透視異常，從而進(jìn)行地質(zhì)推斷和解釋?zhuān)鐖D2所示。

圖2 無(wú)線電波透視探測(cè)原理示意圖

2 數(shù)據(jù)采集、資料處理及解釋

2.1 礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集

儀器：礦井瞬變電磁法采用國(guó)產(chǎn)YCS111礦用本安型瞬變電磁儀，該該儀器具有抗干擾、輕便、防水、防塵和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

施工參數(shù)：采用2 m×2 m正方形回線，發(fā)射回線40匝，接收回線60匝，疊加次數(shù)為64次。

數(shù)據(jù)采集：工作面頂板探測(cè)時(shí)，按照與巷道頂板方向不同夾角進(jìn)行探測(cè)，以改變線框水平夾角實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板砂巖含水性的探測(cè)，如圖3(a)、(b)、(c)所示，點(diǎn)距一般為10 m最合適。

2.2 無(wú)線電磁波透視法數(shù)據(jù)采集

儀器：無(wú)線電磁波透視法采用WKT-E型無(wú)線電波坑道透視儀，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為礦用本質(zhì)安全型。

施工參數(shù)：發(fā)射頻點(diǎn)可選用0.088 MHz、0.158 MHz、0.288 MHz及0.396 5 MHz。頻率越小，穿透力越強(qiáng)，探測(cè)距離越大，反之，穿透力越弱，探測(cè)距離越小。當(dāng)工作面>200 m時(shí)，一般采用0.088 MHz發(fā)射，當(dāng)工作面>150～200 m時(shí)，一般采用0.158 MHz發(fā)射。

數(shù)據(jù)采集：無(wú)線電波透視法一般在兩巷道間進(jìn)行，如在回風(fēng)巷布置發(fā)射點(diǎn)，向煤層中發(fā)射某一頻率電磁波，在機(jī)巷安置接收機(jī)觀測(cè)電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)H信號(hào)。發(fā)射機(jī)相對(duì)固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點(diǎn)上，接收機(jī)在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)沿巷道觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值。一般發(fā)射點(diǎn)距50 m，接收點(diǎn)距10 m。每一發(fā)射點(diǎn)，接收機(jī)可相應(yīng)觀測(cè)11～20個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。

2.3 礦井瞬變電磁法資料處理

處理流程：TEM資料處理工作流程如圖5所示。

a-與巷道頂板方向垂直；b-與巷道頂板方向30°;c-與巷道頂板方向60°圖3 頂板探測(cè)方向示意圖

圖4 無(wú)線電磁波透視法發(fā)射與接收范圍示意圖

圖5 瞬變電磁法資料處理流程圖

曲線圓滑：主要是利用小波變換對(duì)曲線進(jìn)行圓滑處理。

視電阻率計(jì)算：利用編輯矯正后的數(shù)據(jù)計(jì)算得到其視電阻率值。

視深度計(jì)算：利用前面模塊的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得到相應(yīng)的視深度值。

自動(dòng)繪圖：自動(dòng)鏈接內(nèi)嵌的繪圖軟件，繪制視電阻率等值線圖。

2.4 無(wú)線電磁波透視法資料處理

采用的技術(shù)：無(wú)線電波透視法數(shù)據(jù)處理采用CT層析成像技術(shù)，其充分利用電磁波在媒質(zhì)傳播中的信息，利用高精度反演吸收衰減系數(shù)，大大提高資料解釋的精確度和可信度，增強(qiáng)了異常的識(shí)別能力。

吸收系數(shù)值計(jì)算：利用SIRT算法(同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù))，根據(jù)矩陣方程計(jì)算各像元吸收系數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)工作面成像區(qū)內(nèi)吸收系數(shù)成像。利用計(jì)算結(jié)果可以繪制成像區(qū)吸收系數(shù)等值線圖和色譜圖。

場(chǎng)強(qiáng)值的提?。簩?duì)每個(gè)接收段接收多個(gè)背景值，取其平均值作為該段的背景值。對(duì)于各接收點(diǎn)的實(shí)測(cè)總場(chǎng)強(qiáng)值，減去背景值便為各接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值，利用場(chǎng)強(qiáng)值繪制層析成像圖。

2.5 資料解釋

無(wú)線電磁波透視法：巷道揭露有沖刷、裂隙發(fā)育的情況下與斷層相似，場(chǎng)強(qiáng)衰減逐漸增大，吸收系數(shù)逐漸增大，接收?qǐng)鰪?qiáng)值逐漸變小，曲線變緩陡，出現(xiàn)“拐點(diǎn)”或“突變點(diǎn)”。在CT層析成像圖上，沖刷帶引起的異常范圍一般呈寬緩的“條帶”狀，曲線不閉合，吸收系數(shù)值逐漸變大；當(dāng)工作面內(nèi)出現(xiàn)基巖時(shí)，其異常曲線應(yīng)為“U”字型，在CT層析成像圖上，異常范圍一般呈寬緩閉合的“圓形或橢圓形”狀，曲線閉合，吸收系數(shù)值逐漸增大；在工作面內(nèi)煤層傾角由緩傾斜變?yōu)閮A斜或急傾斜及其過(guò)渡地段(或稱(chēng)扭曲段)，可以造成明顯的透視屏蔽，吸收系數(shù)值增大。

3 綜合應(yīng)用

3.1 礦井瞬變電磁在工作面頂板水探測(cè)

工作面2-2煤層頂板巖層富水探測(cè)成果如圖6所示。

圖6 工作面內(nèi)2-2煤層頂板上90 m(上)、60 m(中)、30 m(下)巖層富水探測(cè)成果圖

從圖中可以看出，煤層頂板上30～70 m之間，0#～30#點(diǎn)(即距停采線1 300～1 600 m)附近，富水異常區(qū)規(guī)模較大，其含水性較好，存在聯(lián)通；煤層頂板上90 m，0#～11#點(diǎn)(即距停采線1 490～1 600 m)附近，富水異常區(qū)規(guī)模相對(duì)較小，煤層頂板上30～50 m之間，85#～105#點(diǎn)(即距停采線550～750 m)附近，巖層含水性較好，可能存在聯(lián)通。

3.2 無(wú)線電磁波透視法在工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造探測(cè)

工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造探測(cè)成果如圖7所示。圖7中場(chǎng)強(qiáng)及吸收系數(shù)影像圖中均在相同位置出現(xiàn)兩處異常，分別為1號(hào)異常和2號(hào)異常。其中1號(hào)異常為寬約1 m的基巖穿刺引起；2號(hào)異常為21303工作面延伸巷及其巷內(nèi)積水現(xiàn)引起，且在21303工作面延伸巷的左側(cè)存在少量的裂隙發(fā)育。說(shuō)明無(wú)線電磁波透視法反映成果與實(shí)際揭露情況相符。

圖7 工作面場(chǎng)強(qiáng)(上)及吸收系數(shù)(下)影像圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用礦井瞬變電磁法，對(duì)老巷道積水、斷層的含導(dǎo)水及對(duì)工作面頂板巖層富水進(jìn)行探測(cè)。并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合已知地質(zhì)資料及相鄰工作面解釋經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行綜合解釋?zhuān)晒煽?，效果明顯。結(jié)論表明，礦井瞬變電磁法為煤礦井下水文探測(cè)最理想、有效的物探方法之一；無(wú)線電磁波透視法對(duì)探測(cè)工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造效果明顯。2種探測(cè)方法可為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。