胡泽扬
中煤新集能源股份有限公司 技术中心 安徽省淮南市 232100
摘要：物探是防治矿井水文、地质灾害的重要手段 ,本文通过实例 ,介绍了矿井物探观测系统的设计，设计内容涵盖了地质及水文地质条件、探测方法原理，探测条件、系统设计、现场布置。在水文地质条件复杂，探测条件受到限制的区域，正确的选择物探方法，能更准确地确定探测目标的防治区域和赋水性，从而达到解决水文地质问题。
关键词：矿井物探；地质及水文地质资料；观测系统设计
本文以中煤新集能源有限公司新集一矿360803工作面物探观测系统设计为例。
1 工程概况
1.1 工作面位置、范围、与邻区关系：
360803工作面位于3608采区西翼中部，是该采区第四个综采工作面，开采的煤层为8煤层。该工作面东临三维地震数据二次解释二类品质区、西区-680m回风石门保护煤柱线、西区-770m回风石门、3608（6）采区集中上山；南临360805工作面；西临井田边界保护煤柱线，北临前大刘向斜、8煤层未开采区域。工作面北上部为261303工作面采空区（距360805机巷平距为60.2～72.8m平均66.5m）。
360803工作面设计切眼至设计停采线范围：风巷(北帮)可采走向长920.16m，机巷(南帮)可采走向长929.35m，工作面平均可采走向长924.76m，工作面平均倾斜长217.3m,平均斜面积200950.34m2。风巷预计底板标高-689.752～-760.1m,机巷预计底板标高-702.479～-783.25m。
1.2 地质构造
1、褶曲
360803工作面在前大刘向斜南翼，工作面8煤层总体为一单斜构造，煤层走向45°～75°,煤层倾向135°～165°，煤层倾角2～15°，平均8°。
工作面北部为前大刘向斜及F10断层，其轴向近东西向展布，工作面南部发育逆断层SF40（落差3～10m），受上述断层及向斜综合影响，工作面范围内局部可能发育宽缓背斜构造，预计对掘进影响较小。
2、断层
3608采区西翼地质构造复杂，预计本工作面断层较为发育。根据360805机巷实际揭露断层实揭的地质构造资料和本采区已有钻探、三维地震勘探资料综合分析：本工作面东部北北东向正断层较为发育，工作面西部北北西及北西向断层较为发育。但断层落差及倾角变化无明显规律可循，自南向北断层落差变化趋势不明显，且根据360605底板巷揭露断层情况分析，该区域断层在浅部向深部延伸时落差并非递增或递减。总之， 该区域内断层较发育，且规律性不明显。受上覆推覆体屏蔽影响，本区域三维地震数据二次解释资料品质较差，大部分断层为物探解释，地质构造相对复杂，逆断层可能较为发育，且落差较大断层附近区域可能有次生构造发育，断层附近煤岩层产状、厚度变化较大。
综上所述，360803工作面地质条件相对较为复杂。断层较为发育，断层影响区域煤岩层产状及厚度变化大。影响工作面掘进的断层有21条，其中正断层18条，逆断层3条。
1.3 水文地质情况
1.3.1 充水因素分析
1、砂岩裂隙水
360803工作面掘进期间主要充水水源为8、9煤顶板砂岩水。
8煤顶板砂岩以细砂岩为主，厚度为2.7～4.72m，平均厚度为3.21m，弱富水性。3608（6）采区运输上山掘进穿过本层砂岩时无水，360805机巷及风巷局部滴淋水。
9煤顶板砂岩以石英砂岩、细砂岩为主，平均累计厚度为12.71m，局部含水，以静储量为主。西三运输下山揭露9煤顶板砂岩时最大出水量35m3/h,衰减较慢，目前水量6m3/h左右；西区-680m回风石门揭露9煤顶板砂岩时出水量10m3/h，目前为4m3/h左右；3608（6）采区回风联巷穿过9煤顶板砂岩层位时无水；360805机巷掘进遇断层揭露9煤顶板砂岩时淋水量达16.2m3/h，施工的物探验证钻孔初始水压0.36MPa，最大单孔水量69.3m3/h，目前水量24m3/h左右，衰减较慢，均表明该区域9煤顶板砂岩局部含水、低水压的特征。
2、断层
影响360803工作面掘进的断层有21条，相邻巷道揭露时均无异常出水，仅局部受煤层顶底板砂岩影响有少量滴淋水，对巷道掘进无影响。
1.3.2 涌水量预计
根据充水因素，结合本采区360804工作面采掘、360805工作面掘进情况分析，预计360803工作面掘进期间正常涌水量为0～30m3/h，最大涌水量70m3/h。
2 探测方法技术
2.1 瞬变电磁探测方法技术
2.1.1 探测地球物理条件
从岩性物性差异的角度，一般变化规律认为泥岩、粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层、灰岩，电阻率逐渐增高，即煤层、灰岩相对其它岩层为高电阻率阻层，若岩层含水，则随着其含水率的增加电阻率值减小，因此岩层电阻率发生变化除与岩层岩性本身有关外，其含水性也起决定作用，故在灰岩等高阻地层中，地层含水，表现为低电阻率值；相反，则表现高电阻率值。
探测迎头前方受断层影响，可能存在导水裂隙或含水构造，在地球物理上表现电性差异，因此采用瞬变电磁法探测迎头前方电性分布情况，为巷道安全掘进提供可靠水文地质参数。
2.1.2 基本原理
瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程(见图2-1、2-2)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在(如图2-3)。
瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播(图2-4)，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
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根据理论分析，瞬变电磁探测深度与发送磁矩覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。
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上式为实际探测时用来计算最大探测深度公式。
为采用地质体本身物性参数—电阻率来直观表达地质体的导电性情况，本系统采用晚期公式计算视电阻率：
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3 施工布置与数据采集
3.1 探测位置及次数
巷道在掘进期间采取瞬变电磁探查方法进行循环探查。
瞬变电磁探查：探查掘进前方顶底板及巷道两帮赋水情况。瞬变电磁每次有效控制距离掘进方向不小于100m（平距），留设大于25m超前距。
根据上述工程布置及巷道计划施工长度，预计360803机巷及切眼掘进期间需进行瞬变电磁超前物探18次，具体探测位置见图3-1。
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3.2 瞬变电磁测线布置与数据采集
3.2.1 现场施工条件
1、探测位置顶板岩石稳定，支护完好，无安全隐患。
2、巷道应有足够空间（高度不低于3.0m）完全展开瞬变电磁线圈，探测位置20m范围内应无金属材料和器械，减小金属干扰影响。
3、探测位置附近巷道底板应无积水。
4、探测期间，需切断探测巷道内所有动力电源，避免电场干扰。探测位置30m范围内，应停止一切施工作业，降低噪声干扰。
3.2.2 现场测线布置
探测采用YCS360A矿用本安型瞬变电磁仪在巷道迎头位置，采用U型和扇形观测系统采集数据。360803工作面掘进期间主要充水水源为8、9煤顶板砂岩水。因此360803机巷及切眼现场探测U型观测系统共布置11个测点，每个测点按顶板45°、顶板30°、顶板15°、顺层和底板45°五个方向采集数据，同时，迎头正前方补充扇形观测系统，1个测点、9个方向；具体见图3-2和图3-3。
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由于该巷道迎头立面较小，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈的几何尺寸受到的一定的制约。现场观测系统布置时只能采用多匝小回线的发射和接收装置形式，即边长为1.8m。
4结束语
实践证明，水文地质灾害需要解决的问题是多种多样的 ,那么 , 针对具体的问题 ,合理选用物探方法 ，进行合理的工作布置，能有效地探测各种方位煤岩层富水性情况。因此应该重视矿井物探观测系统设计这一环节 , 这对提高矿井物探的探测成果的准确性有极大的提升，为水害预报和防治措施的提前制定提供可靠参考。
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