任建伟 ，谢雄刚，左冉振

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025;2.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025)

我国是世界上煤矿水文地质最为复杂的国家之一，煤矿水害是仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿事故。近年来，我国煤矿透水事故多发，给煤矿企业安全生产和财产造成巨大损失和极大的社会影响。发生透水事故的重要原因是对矿区地下水富集情况及地下溶岩管道分布特征不了解，没有及时做好预防措施。因此，查明矿区内地下水富集区域及地下岩溶水道分布情况，是煤矿预防水害事故的重要措施[1-3]。目前，用于矿井水害探测的方法主要有：直流电法的三极三点源法、矿井瞬变电磁法和钻孔超前探等。而使用最多的为瞬变电磁法，该方法具有如下特点：观测断电后的二次场，克服了复杂的一次场补偿问题；可采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作；在高阻围岩地区不会产生地形起伏的假异常，岩石电阻越高，探测深度越深(对高阻围岩中的低阻体反应较敏感)；若采用较小线圈回线，工作较方便[4]。

结合坪土煤矿1502回风石门迎头巷道迎头空间狭小、金属设施少的特点，本次探测工作以该矿1502回风石门为例，初步探测该石门前方的水源的分布特征。探讨瞬变电磁法对矿井作业点水害超前预测预报的可行性。

1 瞬变电磁法探测技术原理

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：

(1)于井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。

(2)探测时使发射线圈、接收线圈平行于掘进工作面，在发射线圈内通以一定的电流，瞬间关断后，在前方任意时刻的涡流在发射线圈所处位置激发新的磁场能够看作是水平环行线电流形成的磁场，等效的电流环貌似像从发射线圈中吹出的烟圈一样，即所谓的“烟圈效应”。根据“烟圈效应”理论，晚期场主要由离发射线圈较远前方介质的感应电流激发产生的，反映掘进工作面前方较远距离岩层的电性结构分布信息。早期场是由离掘进工作面较近介质的感应电流激发产生的，反映离巷道迎头距离较近岩层的电性结构分布信息。因此，可以根据接收的纯二次场随时间延迟的变化信息，得到巷道迎头前方岩层的电性结构变化信息，以实现超前预报探测的目的[ 5-8 ]。

(3)当遇含水构造时，由于地下水的移动及电离作用，电阻率呈现良导体低阻特征。

(4)分析对比电性参数，区分物性差异，寻找异常区可以划分含水范围。

(5)构造发育区，或者是出现层位错动，或者是裂隙发育，局部会出现明显的富水构造，由于裂隙水体的导电性良好，使得纵向横向都打破了原有电性固有变化规律，并呈现出局部电性异常体的变化特征[9]。

2 工程概况

坪土煤矿位于贵州省息烽县城西北，矿井采用斜井多水平上山分区式开拓方式。矿井主采煤层为K3和K5。矿井生产能力为150kt/a。开采的煤层大部分位于最低侵蚀基准面以上，少部分位于最低侵蚀基准面以下。直接充水水源主要为长兴组岩溶裂隙及龙潭组裂隙水和老窑采空区积水、地表冲沟水，区域承压水也可能突入，区域导水断层(F1，F2)及其沿该断层发育形成的暗河从井田中部斜切，并沟通了井田各含水层，使原有的相对隔水层失去作用，矿井向深向北开采后，充水来源及充水方式将变得复杂。1502采面设在K5煤层。K5煤层位于龙潭组第四段中下部，上距长兴灰岩79.19～220.01m(平均151.49m)。顶板为灰色灰岩，属中等稳定性岩石；底板为直接底板为深灰色粉砂岩，易风化崩解，遇水易膨胀、软化，为不稳定底板。1502回风石门是坪土煤矿一采区左翼工作面回风平巷和主斜井联络的巷道。具体位置见图1。

图1 坪土煤矿1502回风石门位置

图2 重叠回线探测装置示意

3 掘进工作面物探施工方案

3.1 探测方法

瞬变电磁超前探测示意如图2所示。本次探测采用重叠回线装置即发射回线(Tx)的中心点与接收回线(Rx)的中点在空间上重合，即接发距为零的组合。观测时接收线圈贴近掘进工作面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测方向分别对准巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息。

3.2 测点布置

本次实验在坪土煤矿1502回风石门迎头超前探中共布置了15个测点，每个测点从3个方向进行水源探测，分别为沿水平方向探测、沿与水平方向成45°角往顶板方向探测、沿与水平成45°角往底板方向探测，探测的数据45个。可探测出3个剖面(如图3),测点平面布置如图4所示。

图3 沿水平方向探测布置

图4 测点平面布置示意

4 数据处理及结果分析

本次瞬变电磁探测数据处理采用YCS160型矿井瞬变电磁仪配套的windows处理系统。瞬变电磁法观测所得数据是各测点的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行解释。其处理主要流程为: 读取文件→数据预处理→数据滤波→后沿改正→处理→调用surfer，绘制成果图件。

经过处理得到坪土煤矿1502回风石门迎头与水平方向成45°角往底板方向探测视电阻率等值线拟断面图如图5所示；沿水平方向探测视电阻率等值线拟断面图如图6所示；与水平成45°角往顶板方向探测视电阻率等值线拟断面图如图7所示。

图5 与水平成45°角往底板方向探测成果

图6 沿水平方向探测成果

图7 与水平成45°角往顶板方向探测成果

在探测成果图中，视电阻值反映较好，横向纵向显示的岩层的特征有一定的规律，随着离迎头距离的增加，视电阻率值整体上显示较大且稳定，但在局部存在明显的变化。

(1)由图5可看出，图中存在两处低阻异常区。第1处低阻异常区位于左侧探测角度45～90°，探测距离横坐标范围为0～-25m，探测距离纵坐标范围为22～38m，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m。第2处低阻异常区位于右侧探测角度60～75°，探测距离横坐标50～60m，探测距离纵坐标80～90m范围内，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m。

(2)由图6可看出，图中存在一处低阻异常区，低阻异常区位于左侧探测角度45～90°，探测距离横坐标-9～-28m，探测距离纵坐标22～42m范围内，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m。

(3)由图7可看出，此处存在5处低阻异常区。第1处异常区位于左侧探测角度60～75°，探测距离横坐标-8～-20m，纵坐标27～40m范围内视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m；第2处异常区位于左侧探测角度60～90°，探测距离横坐标-26～-44m，纵坐标100～115m范围内视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m；第3处低阻异常区位于右侧探测角度60～90°，探测距离横坐标8～14m，纵坐标28～43m范围内，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m；第4处低阻异常区位于右侧探测角度0～15°，探测距离横坐标0～32m，探测纵坐标0～10m范围内，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m；第5处低阻异常区位于右侧探测角度0～15°，探测距离横坐标100～110m，探测纵坐标0～38m范围内，视电阻率相对较低，视电阻率值为10～20Ω·m。

综合3个探测面的探测成果分析结果可知：

(1)在巷道左侧与巷道左帮夹角45～90°，距巷道30m左右存在相对低阻区域，视电阻率值为10～20Ω·m。结合地质资料分析知，此区域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

(2)在巷道右上方与巷道右帮夹角60～90°，距巷道顶板斜长40m左右存在相对低阻区域，视电阻率值为10～20Ω·m。知此区域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

(3)在巷道右上方与巷道右帮夹角0～15°，距巷道顶板斜长30m左右存在相对低阻区域，视电阻率值为10～20Ω·m。知此区域可能有小裂隙，存在小量裂隙水。

故存在3处相对低阻区域，阻值均在10～20Ω·m之间，区域含水性弱，对巷道掘进无影响。

5 超前钻探验证

为了查清1502回风石门迎头情况，确保掘进施工的安全，降低矿井水害对掘进施工的威胁，在1502回风石门实施了探查工作。根据在1502回风石门迎头的瞬变电磁的探测结果，在巷道迎头顺巷道掘进方向施工3个不同方向的0°角水平钻孔，第1个钻孔沿迎头左偏16°角方位布置钻孔；第2个钻孔沿迎头右偏19°角方位布置钻孔；第3个钻孔为沿迎头右偏81°角方位布置钻孔。3个钻孔长度均为75m。钻探结果显示该区域有小裂隙，存在小量的裂隙水。钻孔0°角水平钻孔具体位置布置见图8。

图8 钻孔位置布置

6 结论

(1)通过使用瞬变电磁探测仪对坪土煤矿1502回风石门迎头进行探测，探明该回风石门迎头有3处相对低阻区域：在巷道左侧与巷道左帮夹角45～90°，距巷道30m左右；在巷道右上方与巷道右帮夹角60～90°，距巷道顶板斜长40m左右；在巷道右上方与巷道右帮夹角0～15°，距巷道顶板斜长30m左右。3处阻值均在10～20Ω·m，

区域含水性弱，无大的水体和裂缝带。

(2)根据在坪土煤矿1502回风石门迎头瞬变电磁的探测结果，矿方在该回风石门迎头沿巷道掘进方向施工了验证钻孔。验证钻孔显示该区域无大的水体及含水层，水文情况较为简单，只有小裂隙，存在小量的裂隙水。

(3)实际钻探情况与探测结果一致，表明了瞬变电磁法探测矿井作业点水害的可行性。

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