综合物探在巷道掘进超前探测中的应用

李进 李志强

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤炭作为支撑工业能源的主体，多年来在伴随我国工业高速发展的同时，矿井建设也在逐步兴起。进入二十一世纪，我国千万吨级大型矿井，先后在山西、陕西、内蒙古等地相继建成；与此同时早年间建成的小型矿井，由于其生产能力不足，应对灾害的防控能力有限，对资源的开采利用率难以保证等原因；国家先后出台相关政策规定，在政府主导下，对政策之内的小型矿井进行整合，统一部署规划，打造现代化智能矿井；提升矿井生产能力、提高资源回采力、加强安全应急防控等综合能力。由于历史和规划原因，一些矿井在整合过程中资料缺失，封闭巷道的重新启用等，会产生一些新的安全隐患，如不对类似问题加以勘查清楚，盲目施工建设，会造成难以预计的安全事故。因此有必要对存疑的区域进行合理的勘探，保证后续建设的安全。而在已有地质资料不全的情况下，“物探先行”能够对目标区域地质情况有一个初步的认识，为下一步工作提供科学依据。当井下巷道开拓过程中出现地质异常体，如采空区、断层等破坏了煤层的完整性，和原煤（未开采煤层）相比表现出不同的物理性质，比如说介质的密度、和电性，这就为地震波法勘探和瞬变电磁探测提供了物理基础[1-4]。本文将以工程示例对上述物探方法在实际中的应用展开介绍。

1 瞬变电磁探测原理

瞬变电磁法其探测原理是：依据电磁感应定律，在线框中供入阶跃的脉冲电流时，会沿着电流运动方向的法向产生磁场（发射线框的法向），该磁场是人为产生的磁场，称一次磁场。一次磁场在地层中扩散时，由于地质体的电性差异，使得地质体中的电荷受洛伦兹力产生位移，即“涡流”。在一次磁场逐渐消失的同时地质体中电荷涡流也在衰减，而变化的电场会产生磁场，因此由电荷涡流衰减产生的磁场称为二次磁场，且该二次磁场随着涡流的衰减也在减弱。最后根据电磁感应定律，在接收线框中衰减的二次磁场会感应出电流。通过对接收回线中感应电流信号进行分析解译，即可得到地层的电性信息，以此达到对地质体进行分辨的目的。根据以上原理，当地下存在良导地质体时（电阻值较低的地质体），由一次磁场引起较大的涡流，在一次场衰退时涡流也相对衰退较慢，据此可以对低阻地质体有良好的分辨率。良导地质体瞬变电磁感应原理图如图1 所示。

图1 良导体瞬变电磁感应原理图

式中t 为传播时间，σ 为介质电导率，μ0为真空中的磁导率。

2 地震超前探测原理

地震超前探测原理是：根据巷道分布及所要探测的位置沿巷道后方布置相应的观测系统（包括检波器的位置分布和震源的位置分布），如图2 所示。由炸药爆炸产生的地震波传播时在地层变化差异较大的分界面（如断裂破碎界面、采空区、岩溶陷落柱等不良界面）会产生反射波。根据地震波反射界面与地震测线呈垂直或高倾角空间关系，会引起负视速度时距特征。最后应用Radon 变换技术对反射时距曲线的负视速度特征进行上下行波分离，提取出巷道前方的反射波信息，即可达到对巷道前方地质界面探测的目的。

图2 地震超前探测原理图

3 工程实例

山西某矿由3 个小型生产煤矿整合形成。其整合后采区回风大巷、胶带大巷、轨道大巷和西部设计巷道接近整合前3 个小型矿井其中之一（以下简称前矿井）的井田边界，该前矿井某工作面采空区具体位置及其富水性不详。为指导采区回风大巷、采区胶带大巷、采区轨道大巷的安全掘进及边界防隔水煤（岩）柱的留设，采用矿井地震和瞬变电磁相结合的方法进行超前探测。本次地震探测仪器采用KDZ3113 矿井地震勘探仪，瞬变电磁法勘探使用的是YCS2000A 瞬变电磁仪。

瞬变电磁超前探测在采区回风大巷迎头位置进行。采用U 型观测系统，从巷道左帮至右帮共计布置17 个测点，在侧帮与迎头的拐角处以0°、30°、45°、60°、90°进行了测点的加密。每个测点沿顶板45°、顶板30°、顶板15°、顺层（0°），底板-15°、底板-30°、底板-45°、进行7 个方向的探测。现场测点布置及探测方向如图3 所示。

图3 瞬变电磁超前探测测点布置示意图

地震超前探测炮孔和接收点均布置在采区回风大巷巷道右帮。设计24 个炮孔，第一炮距离迎头2m，炮孔间距2m，炮孔孔深1.5m，单孔药量100g；布置两个三分量检波器进行接收。井下实际施工炮孔24 个，单孔药量100g。采集有效数据24 炮，5 个三分量检波器接收。受硐室影响，第8 炮和第9 炮炮孔间隔7.7m，以实际测量距离进行计算。现场测点布置及探测方向如图4 所示。

图4 地震超前探测观测系统

4 资料分析

对本次采集的瞬变电磁数据进行处理与解释，绘制出视电阻率平面图，计算结果表明可较好反映目标地质体内电阻率异常。图中坐标原点位于迎头中心。这里需要提及的是，受瞬变电磁探测原理所致，瞬变电磁探测在0～20m 范围内为探测盲区。

图5 是本次瞬变电磁探测的视电阻率等值线图。从图中可以看出，探测区域内整体视电阻率值分布较均匀且阻值较高，探测体积内存在2 处相对低阻异常区：YC1：该异常区位于迎头前方35m，顶板垂高25m 附近（顶板30°视电阻率断面图），推测为局部的砂岩裂隙水，富水性较弱。YC2：该异常区位于迎头前方20～40m，巷道右帮～右帮30m 范围内（底板-15°视电阻率断面图），富水性较弱，推测为煤层夹矸变化或煤岩体内的裂隙水。

图5 瞬变电磁成果图

本次地震超前探测施工环境较好，现场无明显震动干扰。图6 为接收点原始地震记录，从图中可以看出地震波初至清晰，体波、面波发育良好，整体数据质量较高。将现场采集到的地震数据经过预处理-频谱分析-直达波求取-反射波提取-速度分析-深度偏移等处理流程，获得叠加偏移剖面。

图6 接收点原始地震记录

图7 为地震波形的频谱分析图，从图中可以看出主频范围为60～400Hz。图8 为本次采集地震波形和直达波速度拾取图。从图中可以看出直达纵波速度为3.0m/ms，直达横波速度为1.73m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围。

图7 地震记录频谱图

图8 实测波形及直达波速度拾取

图9 为回风大巷巷道前方深度偏移成像结果，深度偏移剖面反映了巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系。图中用不同的颜色表示反射波振幅的大小，颜色越深代表该处反射波能量越强。图中坐标原点为最后一个接收点，三采区回风大巷迎头在77.9m 处。从剖面中可以看出，自迎头向巷道前方120m 范围内存在3 组反射界面，但反射波能量均较弱。

图9 回风大巷地震偏移成像

a.R1：该反射界面位于巷道迎头前方32m、右帮12～25m，反射波能量较弱，和瞬变电磁解释的YC2 相对应，推测为煤层夹矸或煤岩破碎。

b.R2：该反射界面位于巷道迎头前方53m～60m，反射波能量较弱，推测为煤体破碎。

c.R3：该反射界面位于巷道迎头前方82m～88m，反射波能量相对较强，推测为煤层夹矸或煤体破碎。

5 结论

本次瞬变电磁探测范围内煤体电阻率整体较高，解释相对低阻异常区2 个：YC1 位于头前方35m，顶板垂高25m 附近，推测为砂岩裂隙水；YC2 位于三采区回风大巷右前方20～40m，推测为煤层夹矸或煤岩体内的裂隙水。从视电阻率值分析两处异常的富水性较弱。

地震超前探测解释波阻抗界面3 个：R1（迎头前方32m、右帮12～25m）、R2（迎头前方53～60m）和R3（迎头前方82～88m）。但反射波能量均较弱，推测为煤岩体破碎或夹矸影响。地震解释R1 界面与瞬变电磁YC2 位置相近。