李學(xué)潛 ， 韓德品， 王 程， 范 濤，李博凡

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

礦井瞬變電磁法是常用的查明掘進(jìn)巷道迎頭前方富水性的方法之一[1-4]。但其觀測空間局限于巷道, 探測精度受巷道復(fù)雜環(huán)境的影響較大[5-7]。利用鉆孔，將接收線圈置于鉆孔中，形成礦井巷道-鉆孔瞬變電磁法[8]。由于鉆孔的存在降低了巷道內(nèi)的電磁干擾對測量結(jié)果的影響，并且比常規(guī)礦井瞬變電磁法更靠近地質(zhì)異常體，響應(yīng)信號更強(qiáng)。前人在此方面做了許多工作，比如張杰推導(dǎo)了矩形回線在空間任意點(diǎn)處產(chǎn)生的一次場表達(dá)式，總結(jié)出異常曲線的變化特征和規(guī)律，并提出三分量數(shù)據(jù)矢量交匯技術(shù)，用于異常體中心定位[9]。陳丁采用積分方程法開展了煤礦巷道孔中瞬變電磁場特征數(shù)值模擬研究[10]。范濤通過時域有限差分三維數(shù)值模擬分析了孔中數(shù)據(jù)特征,提出了孔中沿發(fā)射法線方向數(shù)據(jù)的三分量合成和校正技術(shù)。閆文超介紹了礦用孔巷瞬變電磁系統(tǒng)在煤礦的試驗應(yīng)用[11]。本文利用巷-孔瞬變電磁法開展了探測掘進(jìn)工作面前方含導(dǎo)水構(gòu)造范圍及其空間位置的工作。

1 方法原理

瞬變電磁法探測由于對低阻敏感的特性，在煤礦井下含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造探測有廣泛應(yīng)用[12-15]，其中巷-孔瞬變電磁扇面超前探測可以在迎頭前方形成一個較大的扇形探測區(qū)域，探查迎頭前方的含導(dǎo)水構(gòu)造區(qū)；巷-孔瞬變電磁三分量探測依托鉆孔可以使接收位置更靠近異常區(qū)，有針對性地對鉆孔附近異常進(jìn)行三維探查，可以與常規(guī)超前探測結(jié)果相互映證，共同分析。

巷-孔瞬變電磁法的基本原理與瞬變電磁剖面法一致，在常規(guī)扇面超前探測基礎(chǔ)上，將接收探頭置于孔中，孔外按照一定的角度間隔旋轉(zhuǎn)發(fā)射線框，逐點(diǎn)測量孔內(nèi)的接收探頭Z分量數(shù)據(jù)和垂直于鉆孔且相互正交的兩組水平分量X、Y(X分量垂直于孔向右，Y分量垂直于孔向下)的二次場分析異常相對于鉆孔的空間方位，最終形成，扇形超前探測區(qū)域和以鉆孔為中心，徑向一定距離范圍內(nèi)的圓柱形探測區(qū)域。探測示意圖如圖1所示。

兩種方法探測能力對比如表1。

表1 常規(guī)瞬變電磁與孔-巷瞬變電磁特點(diǎn)

圖1 巷-孔瞬變電磁探測示意圖Figure 1 A schematic diagram of roadway-borehole TEM prospecting

2 儀器設(shè)備

本次探測設(shè)備如圖2所示，包括YCS2000A瞬變電磁儀1臺，多路發(fā)射機(jī)1臺，孔中接收探頭3根，發(fā)射線框4個，推送桿100根。其中YCS2000A瞬變電磁儀負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲記錄，多路發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)提供4路發(fā)射電流，孔中接收探頭負(fù)責(zé)在鉆孔內(nèi)進(jìn)行三分量瞬變信號測量。目前孔中探頭有φ40mm、φ50mm和φ55mm等多種型號，適用于不同的鉆孔探測，該套儀器適用于井下含瓦斯、煤塵爆炸危險環(huán)境，同時多路發(fā)射機(jī)提供相當(dāng)于12A、40匝的激發(fā)能量，可以大大提高信號質(zhì)量和探測范圍。

圖2 儀器設(shè)備Figure 2 Instruments and equipments

3 施工設(shè)計

某煤礦6煤西翼輔運(yùn)大巷在掘進(jìn)至第二循探水線時，探放水孔出水較大，根據(jù)鉆探資料分析，迎頭前方可能存在裂隙破碎帶，為了探測裂隙破碎帶的范圍及可能存在的導(dǎo)水通道，開展巷-孔瞬變電磁探測工作。選擇F2-19號鉆孔進(jìn)行施工，施工設(shè)計圖如圖3、圖4所示，其中圖3為側(cè)視圖，圖4為俯視圖。圖中洋紅色矩形圈定區(qū)域為巷-孔瞬變電磁剖面探測區(qū)域，設(shè)計剖面點(diǎn)距2m，剖面總長100m；圖中紅色扇形部分為巷-孔瞬變電磁扇面超前探測區(qū)域，紅色箭頭線為每一角度的探測方向，水平方向扇面的探測角度為45°～135°，間隔15°施工，總計7個測點(diǎn)，垂直方向扇面探測角度為30°～90°，間隔10°施工，總計7個測點(diǎn)。

圖3 F2-19號孔施工設(shè)計側(cè)視圖Figure 3 Borehole F2-19 operation design side view

圖4 F2-19號孔施工設(shè)計俯視圖Figure 4 Borehole F2-19 operation design top view

4 探測資料處理

采用專為礦用巷-孔瞬變電磁儀數(shù)據(jù)處理開發(fā)的專用軟件。該軟件包采用模塊式結(jié)構(gòu)，每個模塊可以獨(dú)立執(zhí)行不同的功能，對資料進(jìn)行不同階段處理。

(1)數(shù)據(jù)讀取及顯示：包括數(shù)據(jù)讀取、曲線顯示、測點(diǎn)編輯等功能，在此模塊可以檢查曲線形態(tài)，對曲線進(jìn)行手動編輯，剔除不良數(shù)據(jù)等；

(2)曲線圓滑：主要是利用小波變換對曲線進(jìn)行圓滑處理；

(3)電感校正：主要是處理小線圈產(chǎn)生的暫態(tài)效應(yīng)，消除小線框的固有過渡過程造成晚期時間道信號顯著抬升的影響；

(4)曲線偏移：主要是利用衰減曲線斜率與時間項指數(shù)冪項的相關(guān)性，以正演曲線為擬合目標(biāo)，在一定程度上修正晚期信號受到的線框固有過渡過程影響；

(5)視電阻率計算：利用編輯校正后的數(shù)據(jù)計算得到其晚期視電阻率值；

(6)視深度計算：計算得到相應(yīng)的視深度值；

(7)自動常規(guī)處理：此模塊是對上面各種模塊功能的集成，利用此模塊可以一次性完成上述幾項處理工作；

(8)自動繪圖：自動繪制視電阻率等值線圖。

5 探測成果分析

本次巷-孔瞬變電磁徑向探測預(yù)報鉆孔旁側(cè)半徑25m左右的低阻異常區(qū)，施工孔深94m，孔中套管深度為12m，實際探測距離為14～94m，從圖5中可以看出測區(qū)中共有三處較明顯的低阻異常①號異常從孔內(nèi)15m延伸至30m，徑向距離約10m，分析認(rèn)為可能為迎頭處其他鉆孔的套管引起，鑒于套管對于解釋成果為強(qiáng)干擾，推斷①號異常為干擾引起的假異常。②號異常從孔內(nèi)40m延伸至55m，徑向距離鉆孔距離約13m，該深度正好位于裂隙破碎帶邊緣，并且鉆孔鉆進(jìn)至39m時出水明顯，推測②號異常為低阻裂隙帶的反應(yīng)，圖中藍(lán)色區(qū)域為低阻裂隙帶的中心位置。③號異常從孔內(nèi)90m延伸至94m，并且呈現(xiàn)出加強(qiáng)的趨勢，因此分析③號異常還有一定距離的延伸，超出了本次探測范圍，徑向距離則從孔旁0m延伸至10m，根據(jù)鉆進(jìn)到90m出水量變大及鉆孔傾角分析，③號異?？赡転殂@孔導(dǎo)通奧灰水引起。

根據(jù)Z分量處理成果顯示，②號異常為裂隙破碎帶的反應(yīng)，為了分析②號異常相對于鉆孔的方位，需要進(jìn)行水平分量解釋。巷-孔瞬變電磁剖面探測水平分量解釋，主要是根據(jù)垂直正交于鉆孔的兩組水平分量X、Y分量的幅值變化，判斷異常中心方位角。

鉆孔深度/m圖5 巷-孔瞬變電磁剖面探測處理成果Figure 5 Roadway-borehole TEM section prospecting processed result

圖6為兩組水平分量在②號異常區(qū)段(46～58m)的純異常響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，兩個分量的曲線形態(tài)均為先負(fù)后正的“S”形態(tài)，根據(jù)水平分量響應(yīng)曲線分布圖(圖7a)可以看出，X、Y分量均為“S”形態(tài)時，異常位于第一象限，即鉆孔的右下方。進(jìn)一步根據(jù)垂直正交于鉆孔的兩組水平分量X、Y分量的幅值變化計算得知，異常中心位置的方位角為37.1°(圖7b)。

圖6 水平分量在②號異常區(qū)段的純異常響應(yīng)曲線Figure 6 Pure abnormal response curve of horizontal component at abnormal sector No.2

圖7 水平分量解釋成果Figure 7 Horizontal component interpreted result

根據(jù)上述計算成果，分析異常位于鉆孔的右下方，將瞬變電磁剖面探測成果根據(jù)方位角度計算結(jié)果，分別投影在CAD中的俯視圖與側(cè)視圖中，結(jié)果如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，②號異常為裂隙破碎帶引起，整體位置偏向鉆孔右下方，③號異?？赡転閵W灰水的裂隙通道引起。

圖8 剖面探測成果俯視圖Figure 8 Sectional prospecting result top view

圖9 剖面探測成果側(cè)視圖Figure 9 Sectional prospecting result side view

圖10為巷-孔瞬變電磁扇面超前探測水平掃面成果，探頭位于孔內(nèi)14m深，有效屏蔽了巷道內(nèi)及金屬套管的干擾，響應(yīng)信號質(zhì)量較高。圖中黑色直線標(biāo)注為F2-19號鉆孔，探測成果中有三處較明顯的低阻異常區(qū)，其中①異常最強(qiáng)，位于鉆孔右側(cè)約15m，迎頭前方約90m處，該異常與剖面探測成果中③號異常一致；②號異常位于鉆孔旁側(cè)約10m，孔深50m附近，該異常與剖面探測成果中②號異常位置一致，對比分析認(rèn)為，剖面探測成果與扇面探測成果一致性較好。圖中③號異常位于鉆孔左側(cè)50m，迎頭前方80m附近，該區(qū)域為已經(jīng)掘進(jìn)通過的6煤西翼主運(yùn)大巷，推測可能由于巷道內(nèi)的金屬干擾引起。

圖10 巷-孔瞬變電磁扇面超前探測水平掃面成果Figure 10 Roadway-borehole TEM sector advance prospecting horizontal scanning result

圖11為巷-孔瞬變電磁扇面超前探測垂直掃面成果，探測成果中有一處較明顯的低阻異常區(qū)，該異常位于鉆孔下方約20m，迎頭前方約90m處，該異常與水平扇面中的①號異常和剖面成果中的③號異常一致。在鉆孔旁側(cè)20m附近有一個條帶裝的弱低阻異常分布，推測可能是裂隙破碎帶的反應(yīng)，該區(qū)域富水性相對于①號異常較弱。

圖11 巷-孔瞬變電磁扇面超前探測垂直掃面成果Figure 11 Roadway-borehole TEM sector advance prospecting vertical scanning result

將巷-孔瞬變電磁扇面超前探測成果放入CAD圖中如圖12、圖13所示。從圖中可以看出，測區(qū)中的強(qiáng)異常均位于孔深90m附近，水平成果圖中偏向鉆孔右側(cè)約20m，垂直成果圖中偏向鉆孔下方約20m，考慮到扇面超前探測分辨率隨著探測深度的增加而降低，認(rèn)為這兩個異常為同一異常區(qū)的反應(yīng)，該異常與剖面成果中的③號異常一致，可能為鉆孔軌跡偏下后打到了奧灰頂界面，現(xiàn)場估算出水量25m3/h。

圖12 水平扇面空間位置Figure 12 Horizontal sector spatial position

圖13 垂直扇面空間位置Figure 13 Vertical sector spatial position

兩組成果中的弱低阻異常分布在裂隙破碎帶附近，該異常對應(yīng)為剖面探測中的②號異常，該異常位于鉆孔右下方，空間位置與剖面探測中的水平分量解釋一致。

6 結(jié)論

(1)利用掘進(jìn)工作面超前探放水鉆孔開展了巷-孔三分量瞬變電磁超前探測，根據(jù)垂直正交于鉆孔的兩組水平分量X、Y分量曲線為先負(fù)后正的“S”形態(tài)獲得了異常體方位信息，通過綜合地質(zhì)分析推斷出破碎帶等導(dǎo)/含水構(gòu)造的位置及范圍，保證了6煤西翼輔運(yùn)大巷的安全掘進(jìn)。

(2)巷-孔瞬變電磁可充分利用探放水鉆孔避開巷道內(nèi)強(qiáng)干擾因素的影響，可探測鉆孔周圍含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的空間位置，異常大小，效果良好。

(3)物探具有多解性及相對性等特點(diǎn)，相對低阻區(qū)一般需要經(jīng)過鉆孔驗證，根據(jù)涌水量等參數(shù)分析判斷低阻區(qū)富水性強(qiáng)弱，巷-孔瞬變電磁法在該煤礦首次使用，對于煤巖體富水性評價視電阻率等級較準(zhǔn)確閾值仍需進(jìn)一步驗證。