瞬变电磁法在超前探测顶板富水断层中的应用

摘 要：针对掘进工作面前方隐伏导（含）水构造可能导致突水事故的问题，结合实例介绍了瞬变电磁法超前探测技术，并在某煤矿E1315工作面皮带巷温度异常段进行应用。测试结果表明，富水断层与巷道顶板最小距离为45m。

关键词：瞬变电磁法；富水区域；水文地质探测

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.256

煤炭开采引起的开采扰动、顶板断裂均可能导致工作面顶板产生裂隙，形成导水通道。当导水通道与上方水源（地表水、老空水、砂岩水等）沟通时，大量水涌入工作面，造成顶板突水事故。我国华北东部矿区经常面临工作面回采时煤层顶板砂岩涌水问题，容易影响生产甚至出现安全事故。为减小顶板出水影响，回采前需要打钻放水，但由于砂岩水的不均匀性，往往干孔较多，打钻放水常常效果不佳。为减少钻探工作量，增强放水效果，一般采取先用矿井瞬变电磁多方位定向探测技术查明工作面顶板采动影响范围内相对富含水区，然后针对富水区进行打钻放水，以保证工作面的安全回采，防治煤矿突水事故的发生。

1 地质概况

某煤矿E1315工作面北部存在F11断层，地质构造预计较简单。E1315皮带巷在掘进过程中发现P5经纬仪点向上40～80米的范围内存在温度异常，即该段巷道内温度明显较低。根据相关研究[1]，当巷道出现明显的温度异常时，其顶板或底板岩层中一般分布有含水构造带，如果未及时采取恰当的措施，非常容易造成突水事故的发生。因此，需要采用瞬变电磁法探测来探测该范围内巷道周围含水地质构造异常的具置，为防治水工作提供详细的技术资料。

2 瞬变电磁法多方位定向施工技术

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），也可以称为时间域电磁法。这种方法的原理是利用不接地回线或接地线源向特定方向发射脉冲电磁场，然后利用线框或接地电极接收由地下介质产生的二次感应电磁场的反馈信号，观测二次涡流场的变化特征，得出异常区域的导电性能，实现定位，从而达到解决地质问题的目的[2]。在巷道掘进中，掘进迎头前方的地质构造或富水区域及导水通道等地质异常区域往往对施工安全造成很大隐患，因此，应用瞬变电磁法进行超前探测可以提前掌握巷道前方一定范围内的地质情况，对于保障掘进安全具有重大意义。

本文采用TERRA-TEM型瞬变电磁仪（产地：Australia）作为施工仪器实施瞬变电磁法探测。根据操作规程和巷道生产技术条件，回线装置尺寸为2m×2m的矩形，布线方式为多匝数重叠布置。测点布置在该矿E1315工作面皮带巷内，测点间距10m，测线长度180m。需注意巷道底板有铁轨，巷道的顶板和两侧为金属锚网支护。采用多方位定向探测方式[3]，即在测量过程中向巷道底板和巷道顶板两个方向探测。因此，在探测顶板岩层时，需要将线框装置尽可能布置在高处，最好紧挨顶板表面；在探测底板岩层时，将探测线框平行放置在底板上，如图1所示。

3 探测结果分析

基于采集的原始数据，绘制多测道剖面图，以便直观、定性地反映出电性参数在横向上的变化规律。图2为在E1315工作面皮带巷温度异常段的多测道剖面图，其中，图2（a）探测对象为巷道底板岩层，图2（b）探测对象为巷道顶板岩层。

根据相关经验，当含水区等地质异常区域位于掘进迎头正前方时，反馈信号会在晚期时间段出现异常响应，在多测道剖面图中一般如“双峰”状；当含水区位于迎头前方其它方位时，一般是指向地质异常区域探测方向的响应最强。从图2（a）中可知，由受巷道底板上铁轨的影响，各测点观测道的感应电动势值相对较高，但在横向无变化。而在巷道顶板探测的多测道剖面图（图2（b））中，8～12测点之间存在异常响应，感应电动势值变化明显。由上述分析可知，巷道底板不存在含水地质构造，而顶板可能存在含水地质构造。

由于地下介质的非均质性，地质异常区域引起的响应区域往往大于异常区实际范围，导致探测结果的模糊性，只能根据异常程度大体判断地质异常区的位置，要想得出更精确的结论，需要使用专用处理软件对巷道顶板实际观测数据进行换算并生成TEM视电阻率曲线，绘制视电阻率等值线图，综合地质资料确定含水构造的类型和精确位置。E1315工作面皮带巷TEM视电阻率曲线如图3所示。

由图3可知，在23～26号测点（即图2中对应的8～12号测点）之间存在一个明显的低阻异常区，到巷道顶板的最小距离为45m，解释为顶板砂岩局部富含水，根据地质资料确定为F17断层，具置见图4（a）和4（b）。另外由于巷道该段附近存在一个早期的勘探孔，由地质资料可知，该孔封孔效果不良。因此推断钻孔和顶板局部砂岩水之间可能存在水力联系，使巷道温度明显较低，经顶板打钻放水验证了探测结果。

4 结论

应用瞬变电磁法对某煤矿E1315工作面皮带巷温度异常段巷道顶板断层富水区域进行探测，得出了富水区域的构造为断层，位置距巷道顶板的最小距离为45m，为采取合理技术措施提供了可靠的水文地质资料，有效保障了巷道掘进安全。

参考文献：

[1]刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用[M].徐州：中矿业大学出版社，2005.

[2]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[3]姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D].中国矿业大学，2008.