李仲平

（興文縣應急管理局，四川 興文 6444400）

為貫徹落實《煤礦防治水細則》（煤安監(jiān)調查〔2018〕14 號）第36 條（二）款“可以采用直流電阻率電測深、瞬變電磁、音頻電穿透、探地雷達、瑞利波及槽波、無線電坑透”等方法探測，采煤工作面應當選擇兩種以上方法，相互驗證”的要求，興文大旗煤礦在其首采工作面，利用“無線電波透視儀”和“瞬變電磁儀”對其開展了物探及相互驗證工作，為其安全、穩(wěn)定、持續(xù)地開展采煤工作提供了地測保障。

1 礦井及11031 采煤工作面基本情況[1-2]

興文縣大旗煤礦位于興文縣城200°方向，直線距離約16 km 處，行政區(qū)劃屬四川省興文縣石海鎮(zhèn)大旗村；系四川獨立升能改造礦井。礦區(qū)附近地勢北高南低，海拔標高+1 436.5 m～+650 m，相對高差786.5 m；屬亞熱帶溫暖季風氣候，夏季多暴雨，冬季多綿雨，年降雨量為1 597.9 mm～902.2 mm，平均降雨量為1 143.6 mm，區(qū)內水系不發(fā)育，僅在礦區(qū)南側外圍發(fā)育木浪溝小溪，大氣降水多沿斜坡經沖溝匯入溝谷后徑流排泄，在礦區(qū)北側匯入巖溶區(qū)轉入地下而補給巖溶地下水，以暗河形式排出區(qū)外；在礦區(qū)南側經斜坡匯入木浪溝向東徑流排泄，部分地表水則沿巖石節(jié)理、裂隙滲入地下，補給區(qū)內地下水。目前礦區(qū)生產、生活用水依靠主井口附近的泉水基本可就地解決，氣溫為38℃～-2.5℃，平均氣溫為18℃，無災害性天氣。

礦井設計生產能力45 萬t/a，服務年限32.5 a；礦井采用平硐開拓方式，設有+693 m 主平硐、+1008 m 副平硐、+10220 m 回風平硐；礦井劃分為+700 m 水平和+550 m 水平兩個水平，5個采區(qū)；其中，+700 m 水平劃分一、二兩個采區(qū)，+550 m 水平劃分為三、四、五3個采區(qū)。其首采區(qū)為+700 m 水平一采區(qū)、首采工作面為11031 采煤工作面；11031 采煤工作面北部為已關閉煤礦（銀方煤礦）采空區(qū)，南部為相鄰的11032 采煤工作面（準備接替面），東部為一采區(qū)上山保護煤柱，西部為一采區(qū)與二采區(qū)之間的隔離煤柱。

11031 采煤工作面開采單一煤層，即B3煤層，最大厚度2.76 m，最小厚度1.0 m，平均1.92 m。B3煤層基本頂為砂質泥巖，直接頂為灰色、深灰色粘土巖、泥巖、砂質泥巖及薄層炭質泥巖，底板為灰色、淺灰色粘土巖。根據11031 工作面運輸巷與11031 回風巷掘進過程中揭露的煤巖層情況：“該采煤工作面開采區(qū)域內無斷層、褶曲等構造”。

根據礦井地質資料顯示：區(qū)內對礦坑充水具有常年穩(wěn)定補給來源的主要是B3煤層頂部含水巖組（P2c+T1f1-3）的裂隙、溶隙水，充水方式以裂隙滲入為主；底部茅口組灰?guī)r巖溶強含水層上距B3煤層約100 m，之間巖性為泥質巖及砂質巖等，具有一定的隔水能力，在無較大斷層等導通茅口組含水層的情況下，對開采B3煤層一般無充水影響。11031 采煤工作面開采期間，充水補給來源為其頂部含水巖組（P2c+T1f1-3）的裂隙水，充水方式以裂隙滲入為主。

礦井針對11031 采煤工作面北部銀方煤礦老空水，于2020年11月28日-2021年1月采取了探水鉆孔放水措施，采空區(qū)積水已基本疏干。目前探水鉆孔出水為11031 采煤工作面開采期間的日常涌水。

2 物探方法及儀器[3]

根據《煤礦防治水細則》（煤安監(jiān)調查〔2018〕14號）第36 條要求，礦井11031 采煤工作面物探數據采集主要采用“無線電波透視法”和“瞬變電磁法”進行[3]，相應的物探設備為YDT175 礦用無線電波透視儀和YCS2000A 礦用瞬變電磁儀。

2.1 物探方法

2.1.1 無線電波透視法

又稱“坑透法”，是利用無線電波在鉆孔和巷道中的發(fā)射和接收來確定井下介質特性和地質構造的一種物探方法。當電磁波在井下有耗介質中傳播時，遇到巖性不同的分界面就會產生不同的電磁波反射、折射、透射和吸收等，通過研究分析接收到的電磁波的性質達到探測井下目標物的目的。無線電波透視技術是基于巖石介電常數的差異為基礎，電磁波在含煤地層中傳播時可分解為垂直層理和平行層理兩個方向，在垂直層理方向是非均勻介質，在同一煤層一定范圍內平行層理方向上可近似認為是均勻的。煤層中斷裂構造的界面、煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水的低電阻率帶等都能對電磁波產生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。如果發(fā)射源發(fā)射的電磁波在穿越煤層途徑中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區(qū)、沖刷、煤層產狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質異常體時，接收到的電磁波能量就會明顯減弱，這就會形成透視陰影，即電阻異常區(qū)。礦井電磁波透視技術，就是根據電磁波在煤層中的傳播特性而研制的一種收、發(fā)電磁波的儀器和資料處理系統(tǒng)。

2.1.2 瞬變電磁法

又稱“時間域電磁法”，是利用不接地回線或接地線源向井下發(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井下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法。

瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應和接收三階段。在導電率為σ、導磁率為μ 的均勻各向同性大地表面，敷設面積為S 的矩形發(fā)射回線，在發(fā)射回線中通階躍電流，電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場，如圖1 所示。當發(fā)射電流突然下降到零，根據電磁感應理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到井下低電阻的地質體，將在其內部激發(fā)產生感應電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時間變化，在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。由于導電地質體內感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數規(guī)律隨時間衰減，形成瞬變磁場，二次磁場主要來源于低電阻地質體的感應電流，因此它包含著與地質體導電性有關的地質信息，二次磁場通過接收回線觀測，并對觀測的數據進行分析和處理，并對井下地質體的相關物理參數進行解釋。

圖1 矩形框磁力線示意圖

2.2 物探儀器

2.2.1 YDT175 礦用無線電波透視儀

YDT175 礦用無線電波透視儀如圖2 所示，可探測采煤工作面內部落差大于三分之一煤厚的斷層、煤層頂底板起伏變化情況、直徑大于10 m 以上的陷落柱、夾矸厚度變化帶等地質異常情況。

圖2 YDT175 礦用無線電波透視儀

2.2.2 YCS2000A 礦用瞬變電磁儀

YCS2000A 礦用瞬變電磁儀如圖3 所示，是為煤礦井下含有瓦斯、煤塵爆炸性危險環(huán)境中探測含水和導水地質小構造而設計制造的本質安全電磁法勘探儀器。其主要功能是探測含水、導水地質構造以及含水體等。

圖3 YCS2000A 礦用瞬變電磁儀

3 現場數據采集[4]

3.1 瞬變電磁數據采集

采集成果如圖4-圖8 所示：從11031 采煤工作面采止線位置開始，每間隔10 m 設置1個測點。同時，根據巷道走向及現場工作環(huán)境等因素，共計分為五段進行數據采集，第一段為0～220 m、第二段為220～400 m、第三段為400～500 m、第四段為500～710 m、第五段為730～890 m。

圖4 瞬變電磁法數據采集成果圖（0～220 m 段）

圖8 瞬變電磁法數據采集成果圖（730～890 m 段）

3.2 無線電波透視法數據采集

無線電波透視法數據采集采用在11031 工作面回風巷發(fā)射、運輸巷接收的方式進行；根據11031 工作面走向長度，設計透視勘探距離為900 m，接收點距10 m，發(fā)射點距50 m。數據采集成果如圖9 所示，其中，0 點坐標為11031 采煤工作面運輸巷與切眼交叉位置，其余點均為與0 點的相對坐標。由于11031 采煤工作面運輸巷和回風巷近似弧形，成果圖上的坐標與實際存在一定的偏差，為更好地與工作面實際相對應，將成果圖分為三個部分。

4 探測成果解釋[4]

4.1 瞬變電磁法成果解釋

（1）在11031 采煤工作面共計發(fā)現5個低阻異常區(qū)，分別命名為1#低阻異常區(qū)、2#低阻異常區(qū)、3#低阻異常區(qū)、4#低阻異常區(qū)、5#低阻異常區(qū)。將11031 采煤工作面止采線位置設置為0 點，1#低阻異常區(qū)橫向位于270～280 m 段，縱向分布范圍為10～45 m；2#低阻異常區(qū)橫向位于356～373 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；3#低阻異常區(qū)橫向位于630～645 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；4# 低阻異常區(qū)橫向位于655～670 m 段，縱向分布范圍為10～50 m；5#低阻異常區(qū)橫向位于675～710 m 段，縱向分布范圍為10～45 m。

圖5 瞬變電磁法數據采集成果圖（220～400 m 段）

圖6 瞬變電磁法數據采集成果圖（400～500 m 段）

（2）根據低阻異常區(qū)的分布，推測11031 采煤工作面內的煤層或頂底板有裂隙或斷層，且具有一定的富水性。

4.2 無線電波透視法成果解釋

（1）無線電波透視法成果圖展示如圖9 所示，即0點坐標為11031 采煤工作面運輸巷與開切眼交叉位置，其余點均為與0 點的相對坐標，成果圖弧形方向為工作面運輸巷走向方向。

（2）如圖9 所示，11031 采煤工作面內部裂隙與斷層較少，僅在該工作面北東側發(fā)現一處異常，范圍為765～830 m 段，同時，根據礦方提供資料，在運輸巷及回風巷掘進過程中，未揭露到該段區(qū)域有斷層，從而推測該異常為走向斷層，走向大致與工作面運輸巷平行，斷層走向長約65 m，傾斜寬約17~22 m。

圖9 無線電波透視法數據采集成果圖

4.3 綜合解釋

（1）對比瞬變電磁法所發(fā)現的低阻異常區(qū)位置與無線電波透視法探測成果分析，5個低阻異常區(qū)位置均無明顯地質構造異常反映，推測其5個低阻異常區(qū)不是11031 采煤工作面內部的含水裂隙或斷層所引起的，而是由煤層頂底板中存在的裂隙或小型斷層所引起的，且有一定的富水性。

（2）無線電波透視法探測成果顯示異常的位置在瞬變電磁法探測成果中未有反映，說明該斷層區(qū)域富水性較差；推斷為11031 采煤工作面北東765～830 m段有一走向逆斷層，該斷層走向大致與運輸巷平行，斷層走向長約65 m，傾斜寬約17~22 m。

圖7 瞬變電磁法數據采集成果圖（500～710 m 段）

（3）因物探成果具有多解性，礦井在11031 采煤工作面開采時，應對其低阻異常區(qū)和構造異常區(qū)，即11031 采煤工作面北東765～830 m 區(qū)域時，提前采取措施，防止因工作面煤層內部的走向逆斷層帶來的各種威脅。

5 結束語

興文縣大旗煤礦按照《煤礦防治水細則》的要求，對其首采的11031 采煤工作面實施了兩種物探方法，即“無線電波透視法”和“瞬變電磁法”探測的相互驗證，探測出工作面北東765～830 m 區(qū)域有一走向逆斷層，為其開采工作面區(qū)域的煤層提供了地測保障，對興文區(qū)域的煤礦工作面物探驗證具有較強的示范作用。