黃忠正，姜國慶，王 軍，程久龍，馬 智，田楚霄，辛成濤

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

鉆探在煤炭地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)勘探中發(fā)揮著巨大的作用，但由于部分鉆孔未按照設(shè)計(jì)要求封孔或封孔質(zhì)量不佳(稱為封閉不良鉆孔)，導(dǎo)致部分鉆孔不同程度地連通含水層，形成隱蔽性較強(qiáng)的導(dǎo)水通道，且難以圈定其影響范圍。因此，封閉不良鉆孔容易形成突水災(zāi)害，威脅煤礦安全開采[1-2]。

封閉不良鉆孔的常規(guī)探查方法主要分為鉆探和地球物理探查。鉆探可大致圈定封閉不良鉆孔的分布范圍，但其工作量大，成本高，且有可能再次引發(fā)突水危害。地球物理探查方法主要有礦井直流電法和礦井瞬變電磁法。在礦井直流電法探測方面，阮百堯等[3]提出了直流電阻率超前聚焦探測方法，通過屏蔽電極減少旁側(cè)影響，增加勘探深度，提高超前探測效果；韓德品等[4]提出了基于幾何交匯原理的七電極系探測系統(tǒng)，并通過層狀空間影響校正、非正前方影響校正等資料處理技術(shù)，定量解釋掘進(jìn)巷道前方災(zāi)害性含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造；高衛(wèi)富等[5]利用礦井三維直流電法獲得了頂板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體，圈定了工作面內(nèi)封閉不良鉆孔導(dǎo)水引起的低阻異常范圍。礦井直流電法在煤礦水害防治中得到廣泛應(yīng)用，但是由于該方法存在受巷道后方及側(cè)幫影響較大，對掘進(jìn)工作面前方異常體敏感性弱等缺點(diǎn)，影響了其超前探測效果[6]。

瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)敏感，探測方向指向性好，施工方便高效。國內(nèi)學(xué)者將小線圈應(yīng)用于礦井下，并對掘進(jìn)面前方異常體進(jìn)行超前探測[7]。于景邨等[8]根據(jù)井下巷道實(shí)際條件，提出了多匝小線框測量裝置，完善了相關(guān)理論，并成功應(yīng)用于深部采場突水構(gòu)造探測；程久龍等[9]對礦井瞬變電磁法超前探測進(jìn)行了合成孔徑成像研究，有效降低了體積效應(yīng)，提高了探測精度；劉志新等[10]將礦井瞬變電磁法應(yīng)用于采煤工作面內(nèi)部和掘進(jìn)巷道前方的水文孔位置探測及富水性評價(jià)，并總結(jié)了水文鉆孔的電性響應(yīng)特征；郭純等[11]利用地下全空間瞬變電磁法對掘進(jìn)面前方連續(xù)跟蹤探測，表明該方法能有效預(yù)報(bào)掘進(jìn)面前方富水情況；劉志新等[12]在瞬變電磁信號處理中引入小波變換技術(shù)，通過分解與重構(gòu)，有效去除了晚期信號的噪聲干擾，提高了信噪比；張軍[13]提出礦井瞬變電磁超淺層高分辨率探測技術(shù)，通過改進(jìn)硬件與軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)淺層地質(zhì)體高分辨率探測。除此之外，不少學(xué)者結(jié)合鉆探與地球物理技術(shù)方法的優(yōu)勢，利用瞬變電磁法縮小封閉不良鉆孔范圍，再用鉆探方法進(jìn)一步確定富水情況，有效避免了封閉不良鉆孔導(dǎo)致的突水災(zāi)害[14]。姬亞東[15]利用抽水試驗(yàn)與示蹤試驗(yàn)相結(jié)合的綜合分析法，驗(yàn)證疑似封閉不良鉆孔是否構(gòu)成導(dǎo)水通道，使第四系含水層水涌入采空區(qū) 。

礦井瞬變電磁法超前探測具有對低阻體敏感，工作效率高，且距離異常體近，能提高采集數(shù)據(jù)的信噪比，從而提高解釋精度等特點(diǎn)。寧夏雙馬煤礦I0104108工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中要通過存在封閉不良鉆孔區(qū)域，且受頂板砂巖水水害威脅，為了精細(xì)探查封閉不良鉆孔可能導(dǎo)致的相對富水影響區(qū)，確保巷道掘進(jìn)過程中防治水安全，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行掘進(jìn)工作面超前探測。

1 礦井瞬變電磁法原理與方法

1.1 基本原理

礦井瞬變電磁法原理與地面瞬變電磁法基本一致，不同的是礦井瞬變電磁法是在井下巷道中進(jìn)行的，瞬變電磁場呈全空間分布，這時(shí)測量得到的瞬變響應(yīng)為全空間響應(yīng)。根據(jù)瞬變電磁場擴(kuò)散的“煙圈”理論[16]可知，當(dāng)供電電流突然斷開時(shí)，早期激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要局限于巷道附近巖層中，此時(shí)觀測的瞬變電磁場主要反映了距離觀測點(diǎn)較近巖層的電性分布；晚期激發(fā)產(chǎn)生的感應(yīng)電流向外擴(kuò)散到距離巷道相對遠(yuǎn)的位置，此時(shí)觀測的瞬變電磁場主要反映了距離觀測點(diǎn)相對較遠(yuǎn)巖層的電性分布。因此，通過記錄從早期到晚期瞬變電磁場的變化特征就可以得到距離觀測點(diǎn)由近及遠(yuǎn)不同位置巖層的電性分布特征，進(jìn)而對含水異常體、采空積水區(qū)、斷裂構(gòu)造、陷落柱、封閉不良鉆孔等地質(zhì)異常體進(jìn)行分析和解譯。

1.2 超前探測方法

由瞬變電磁場擴(kuò)散的 “煙圈”理論可知，供電電流斷開后，巷道圍巖中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的擴(kuò)散具有一定的方向性，其軸線方向?yàn)榫€框的法線方向，也就是通常認(rèn)為的礦井瞬變電磁法探測方向。因此，通過靈活調(diào)整線框的指向就可以進(jìn)行多方位、多角度的探測。巷道掘進(jìn)工作面超前探測時(shí)，將發(fā)射線框(Tx)和接收線框(Rx)垂直放置于巷道工作面后方(圖1)，轉(zhuǎn)換不同角度即可探測掘進(jìn)工作面前方一定范圍的電阻率分布，根據(jù)電阻率分布情況推斷巷道掘進(jìn)工作面前方是否存在含水異常體。

圖1 礦井瞬變電磁法超前探測Fig.1 Advanced detection diagram of mine transient electromagnetic method

2 掘進(jìn)巷道前方封閉不良鉆孔瞬變電磁場特征

為研究全空間條件下巷道掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔瞬變電磁場響應(yīng)規(guī)律，建立掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔三維地質(zhì)?地球物理模型，如圖2 所示。模型參數(shù)設(shè)置如下：煤層頂?shù)装宓貙与娮杪试O(shè)置為50 Ω·m；封閉不良鉆孔引起含水異常區(qū)電阻率設(shè)置為10 Ω·m；含水異常區(qū)半徑為5 m；高度150 m(其中煤層底板上方100 m，煤層底板下方50 m)；鉆孔中心距離巷道中線垂距為30 m；鉆孔中心距離掘進(jìn)工作面平面的垂距為50 m。采用重疊回線裝置，回線法線平行于底板，從左側(cè)幫開始，間隔10°進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集19 組數(shù)據(jù)。發(fā)射電流為2 A，關(guān)斷時(shí)間設(shè)定為0.02 ms，模型采用自由四面體非均勻網(wǎng)格自動(dòng)物理場控制剖分。

圖2 掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔三維地質(zhì)?地球物理模型Fig.2 Three dimensional geological-geophysical model of badly sealed drill in front of the heading face

圖3 為掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬多測道圖，圖中0 方向?yàn)榛鼐€法線指向左側(cè)幫；90°方向?yàn)榛鼐€法線指向正前方；180°方向?yàn)榛鼐€法線指向右側(cè)幫；模型中含水異常區(qū)中心位于120°方向。從圖3可以看出，仰角30°方向與水平方向數(shù)值模擬結(jié)果較為相似，多測道圖上110°、120°和130°方向中、晚期感應(yīng)電動(dòng)勢值明顯升高，并且以120°方向感應(yīng)電動(dòng)勢最大，從而說明封閉不良鉆孔可以引起瞬變電磁場衰減變慢，實(shí)測感應(yīng)電動(dòng)勢相應(yīng)升高。數(shù)值模擬結(jié)果表明，封閉不良鉆孔附近含水體在感應(yīng)電動(dòng)勢多測道圖上表現(xiàn)為感應(yīng)電動(dòng)勢增強(qiáng)，異常特征明顯。

圖3 掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬多測道圖Fig.3 Numerical simulation multi-channel map of badly sealed drill in front of the heading face

3 基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理

礦井瞬變電磁法工作環(huán)境為井下全空間，為了準(zhǔn)確反映井下地質(zhì)體的電性特征，必須采用建立在全空間理論之上的數(shù)據(jù)精細(xì)化處理方法。

3.1 磁場計(jì)算

瞬變電磁儀器記錄的一般為感應(yīng)電動(dòng)勢，磁感應(yīng)強(qiáng)度垂向分量Bz需要通過對時(shí)間變化率?Bz/?t數(shù)值積分獲得，其轉(zhuǎn)換表達(dá)式為：

式中：tw1,tw2,···,twN+1分別為t1,t2,···,tN時(shí)窗中心所對應(yīng)的時(shí)窗邊界，下標(biāo)w1,w2,···,wN,wN+1 為時(shí)窗邊界編號；t為時(shí)間，s；i=1,2,···,N為時(shí)窗中心編號。

式(1)寫成離散形式為：

式中：BZ(twi)為twi時(shí)刻的磁場值；BZ(twN+1)為twN+1時(shí)刻的磁場值，該磁場值可以根據(jù)觀測?Bz(t)/?t變化趨勢，采用對數(shù)域線性回歸方法[17]計(jì)算得到；j為時(shí)窗中心編號，j=1,2,···,N。

3.2 全空間瞬變電磁全區(qū)視電阻率計(jì)算

均勻全空間介質(zhì)中水平放置的圓形發(fā)射框中心的瞬變響應(yīng)可以表示為：

式中：μ為磁導(dǎo)率，H/m；I為發(fā)射電流，A；a為發(fā)射線圈的半徑，m；ρ為均勻全空間的電阻率，為誤差函數(shù)。此時(shí)，全區(qū)視電阻率可以表示為：

其中，核函數(shù)Y'(Z)為雙值函數(shù)，其函數(shù)曲線存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(Z=1.225 處)；核函數(shù)Y(Z)為單值函數(shù)，其函數(shù)曲線單調(diào)上升。利用式(8)和式(9)，在斜階躍校正的基礎(chǔ)上運(yùn)用二分搜索算法[18]可以分別計(jì)算實(shí)測?Bz/?t與Bz對應(yīng)的Z值，將Z值代入式(5)則可以分別得到?Bz/?t與Bz定義的全區(qū)視電阻率ρDBR與ρBZR。同時(shí)計(jì)算ρDBR與ρBZR可以有效避免單純使用感應(yīng)電動(dòng)勢參數(shù)引起的假薄層問題，突出ρDBR參數(shù)的垂向高分辨率和ρBZR參數(shù)對地層結(jié)構(gòu)反映可靠、早期階段效果好的優(yōu)勢。

3.3 理論模型成像

采用上述處理方法對圖2 理論模型數(shù)值模擬響應(yīng)進(jìn)行成像[19]。圖4 為理論模型水平方向超前探測視電阻率斷面圖，從圖4 可以看出在掘進(jìn)工作面右側(cè)幫存在一處明顯的低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)中心電阻率在10～20 Ω·m，而圍巖電阻率在50 Ω·m 左右，異常區(qū)低阻特征明顯。通過與理論模型對比可以看出，低阻異常區(qū)位置與理論模型中封閉不良鉆孔影響區(qū)位置完全一致。理論模型成像結(jié)果充分驗(yàn)證了文中基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理方法的有效性。

圖4 理論模型水平方向超前探測視電阻率斷面圖Fig.4 Horizontal advance detection apparent resistivity section of the theoretical model

4 工程應(yīng)用

4.1 地質(zhì)概況

根據(jù)水文地質(zhì)資料，寧夏雙馬煤礦I0104108 工作面主要充水水源為直羅組砂巖含水層與2～6 煤間延安組含水層。其中，直羅組砂巖含水層平均厚度42.7 m，距I0104108 工作面26.1～69.7 m，平均55.6 m，巖性為粗粒含礫長石石英砂巖，具大型交錯(cuò)層理，局部地段裂隙發(fā)育，富水性為弱?中等，是工作面主要防治水對象。I0104108 工作面內(nèi)部存在前期勘探所施工的地質(zhì)鉆孔，這些地質(zhì)鉆孔部分封閉不良，可能溝通至直羅組含水層，巷道在掘進(jìn)過程中旁側(cè)通過或直接揭露這些地質(zhì)鉆孔可能造成涌水量增大甚至發(fā)生水害事故。為了保障巷道安全掘進(jìn)，采用礦井瞬變電磁法進(jìn)行掘進(jìn)工作面超前探測[20]，重點(diǎn)查明已知封閉不良鉆孔M2103 附近巖層的相對富水性特征。

4.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用YCS128 礦用瞬變電磁儀，重疊回線裝置，線框邊長2 m，發(fā)射電流3 A，關(guān)斷時(shí)間6 μs，接收時(shí)窗128 個(gè)。該裝置與探測目標(biāo)地質(zhì)體能最佳耦合，具有響應(yīng)曲線形態(tài)簡單、接收電平高、穿透深度大、施工靈活方便等特點(diǎn)。掘進(jìn)工作面超前探測共進(jìn)行3個(gè)方向的平面超前探測和1 個(gè)方向垂向超前探測，其中，平面超前探測方向分別為：仰角45°、仰角30°和水平方向，每個(gè)角度平面扇形均采集自左側(cè)幫90°至右側(cè)幫90°間隔15°的13 組數(shù)據(jù)；垂向超前采集掘進(jìn)工作面正前方頂板90°至底板90°間隔15°的13 組數(shù)據(jù)。具體探測方向如圖5 所示。

圖5 掘進(jìn)工作面超前探測方向Fig.5 Directions of advance detection in heading face

4.3 探測結(jié)果分析

采用前文所述的基于全空間理論的礦井瞬變電磁法精細(xì)化處理方法，對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得礦井瞬變電磁法超前探測扇形斷面圖(圖6)。從圖6可看出，巷道前方0～50 m 范圍內(nèi)巖層視電阻率整體較高，為正常地層反應(yīng)，解釋為巖層相對含水性極弱。已知封閉不良鉆孔M2103 位于掘進(jìn)工作面正前方稍微偏右位置，鉆孔附近由頂板仰角45°方向到仰角30°方向均存在明顯低阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)中心大致位于鉆孔附近，并且由異常中心向外視電阻率逐漸升高，根據(jù)異常位置及形態(tài)特征推斷鉆孔附近低阻異常區(qū)的形成與鉆孔M2103 具有一定的關(guān)聯(lián)性。從圖6c 中可以看出，水平方向鉆孔M2103 附近巖層視電阻率相對較高，不存在明顯低阻異常。綜合對比分析可知，鉆孔M2103 附近的低阻異常在空間上主要位于巷道頂板，在巷道掘進(jìn)工作面前方水平方向上異常不明顯，表明其周圍相對富水性沒有明顯增加。

圖6 掘進(jìn)工作面平面超前探測視電阻率斷面圖Fig.6 Planar advance detection apparent resistivity sections of heading face

另外，由圖6 可以看出，除了上述封閉不良鉆孔附近的低阻異常區(qū)外，在巷道左側(cè)幫頂板仰角45°～0°方向及右側(cè)幫頂板仰角30°～0°方向也存在局部低阻異常區(qū)，推斷為頂板砂巖局部弱富水區(qū)。由于這些弱富水區(qū)距離掘進(jìn)巷道相對較遠(yuǎn)，對巷道掘進(jìn)影響不大，但是在工作面回采之前要有針對性地布置探放水工作。

圖7 為掘進(jìn)工作面垂向超前探測斷面圖，根據(jù)全空間瞬變電磁法“煙圈”理論，巷道正前方及鉆孔M2103附近巖層均在有效探測范圍內(nèi)。從圖中可以看出，掘進(jìn)工作面前方0～50 m 范圍內(nèi)巖層視電阻率整體較高，為正常地層反映，解釋為巖層相對含水性極弱。巷道掘進(jìn)工作面前方仰角45°～10°方向50～110 m 范圍存在明顯的低阻異常區(qū)，異常形態(tài)整體呈近直立狀。通過與圖6 平面超前探測斷面圖對比可以看出，平面超前探測斷面圖與垂向超前探測斷面圖反映的低阻異?？臻g位置一致，即鉆孔M2103 附近巷道頂板中存在垂向上近直立的低阻異常，異常平面中心大致位于鉆孔M2103 附近。

圖7 掘進(jìn)工作面垂向超前探測視電阻率斷面圖Fig.7 Vertical advance detection apparent resistivity section of heading face

綜合平面超前探測和垂向超前探測成果進(jìn)行分析，推斷封閉不良鉆孔M2103 一定程度上導(dǎo)通了頂板直羅組含水層和延安組含水層，成為導(dǎo)水通道，使鉆孔附近頂板巖層富水性相對增強(qiáng)，形成局部相對弱富水區(qū)。而在巷道前方水平方向鉆孔M2103 附近巖層含水性相對較弱，以極弱富水為主。因此，推斷巷道沿設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)時(shí)不會揭露該封閉不良鉆孔形成的明顯富水異常區(qū)，不會出現(xiàn)鉆孔涌水情況，但是在回采過程中要對鉆孔附近可能的頂板涌水量增大進(jìn)行預(yù)防。

4.4 掘進(jìn)工程驗(yàn)證情況

I0104108 工作面運(yùn)輸巷沿設(shè)計(jì)方向正常掘進(jìn)，經(jīng)過M2103 鉆孔附近時(shí)，煤層基本正常，但頂板相對潮濕，未出現(xiàn)涌水情況，安全通過該封閉不良鉆孔影響區(qū)。現(xiàn)場揭露情況與礦井瞬變電磁法推斷解譯結(jié)果吻合。

5 結(jié) 論

a.掘進(jìn)工作面前方封閉不良鉆孔數(shù)值模擬結(jié)果表明，封閉不良鉆孔及其附近含水體在全空間瞬變電磁多測道圖上表現(xiàn)為局部感應(yīng)電動(dòng)勢增強(qiáng)，且異常特征較為明顯，證明礦井瞬變電磁法對封閉不良鉆孔進(jìn)行探測在理論上是可行的。

b.寧夏雙馬煤礦掘進(jìn)工作面超前探測結(jié)果表明，封閉不良鉆孔M2103 具有一定導(dǎo)水性，導(dǎo)通頂板直羅組含水層及延安組含水層，使鉆孔附近頂板巖層相對富水性增強(qiáng)，形成局部弱富水區(qū)。而在巷道前方水平方向巖層富水性則相對較弱，以極弱富水為主。因此，推斷巷道沿設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)時(shí)，巷道附近受巖層富水性影響不大。但在回采過程中，要針對頂板弱富水區(qū)布置探放水鉆孔，必要時(shí)進(jìn)行注漿封堵，預(yù)防頂板在鉆孔附近出現(xiàn)涌水量增大。

c.巷道掘進(jìn)揭露情況與礦井瞬變電磁法推斷解譯結(jié)果吻合，巷道掘進(jìn)中正常通過封閉不良鉆孔影響區(qū)。研究結(jié)果表明，礦井瞬變電磁法可以對封閉不良鉆孔的導(dǎo)水性進(jìn)行評價(jià)，從而為制定封閉不良鉆孔治理措施提供依據(jù)。