0   引言

安源煤矿隶属鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇，该矿4218工作面准备回采，主采Ⅳ-2号煤层，影响煤层开采的含水层有第四系孔隙潜水含水层及侏罗系碎屑岩类孔隙-裂隙承压含水岩组含水层。为防治水害发生，需探明4218工作面富水情况。

近年来，针对矿区含水层富水性研究，开展了大量物探、钻探、水文地质等基础工作^[1]。地球物理勘探方法因其具有快速、准确、经济等特点，已成为煤矿含水层探测的常用勘探方法之一。其中，瞬变电磁法对低阻敏感，施工经济、高效，已广泛应用于煤矿富水性探测，并取得了良好的效果^[2]。于师建^[3]采用瞬变电磁法确定了含水层的富水范围；刘百祥等^[4]将瞬变电磁探测与钻探和前期地质工作相结合，查明了某煤矿工作面上覆采空区的富水区域；丁永禄^[5]等采用瞬变电磁探测技术探明工作面横向范围与纵向顶板上方80 m范围岩层富水性，圈定了富水异常区段；刘晓宁^[6]通过详细的现场瞬变电磁探测在山西某矿100101工作面推断出主要富水异常区；黄浩等^[7]采用音频和瞬变两种方法综合确定了曹家滩煤矿122106工作面顶板富水异常区；瞬变电磁法在灰岩、溶洞富水性勘查等应用方面方法也行之有效^[8-9]。井下瞬变电磁勘探技术，即矿井瞬变电磁法勘探技术，具有体积效应小、施工效率高等优势，在煤矿水文地质探测中发挥着越来越重要的作用^[10-16]。田茂虎等^[17]采用矿井瞬变电磁法探测出某矿工作面顶板富水区的位置和范围；林井祥等^[18]应用矿井瞬变电磁法对鸡西矿区某煤矿平巷掘进过程中有淋水现象的工作面进行超前探测，探明巷道迎头前方区域积水区；郭艳培等^[19]在阳城煤矿1311工作面外帮进行了矿井瞬变电磁探测，经过数据处理，确定了探测区域内低阻异常区域的范围；在地面与井下瞬变联合应用方面，钟声等^[20]将地面与井下瞬变电磁法成果进行对比分析，控制水害分布范围和圈定富水区域，指导下一步的抽排水工作；李学文^[21]采用地面与井下物探相结合方法探测煤矿富水区，异常区域与钻探结果基本一致。这些研究表明瞬变电磁法探测地面与井下相结合的方法可以有效提高煤矿富水区探测的可靠性，将有助于矿井水害的防治。

为此，本文在安源煤矿4218工作面开展地面与井下联合瞬变电磁法勘探。首先，对地面瞬变电磁探测数据进行反演，获得了研究区煤层富水性的分布特征，推断出富水区域；再使用井下瞬变电磁法探查掘进巷道前方富含水情况；最后结合地质和钻探资料，综合分析Ⅳ-2号煤层各含水层的富水性，为该煤层的顺利开采提供了基础资料和安全保障。

1   方法原理

1.1   地面瞬变电磁法

瞬变电磁法是通过不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，根据采集的二次场衰减数据反演地下介质电阻率分布，以此推断探测范围内的水文地质信息。

瞬变电磁勘探一般用重叠回线装置或中心回线装置。重叠回线装置由于有互感现象，故在野外施工时将两者分开1～2 m的距离。中心回线装置是使用小型多匝接收线圈（或探头）放置于边长为L的发送回线中心观测的装置，常用于探测1 km以内的中、浅层测深工作。其线框边长较小，纵横向分辨率较高，受外部干扰较小，对施工环境要求较低，适应面较宽。

1.2   矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法在巷道内进行，这时得到的瞬变响应为全空间响应。早期和晚期瞬变电磁场分别是由靠近和远离发射线框的巷道围岩介质感应电流产生，分别反映近距离和远距离的电性分布^[14]。因此通过记录不同瞬变延时的感应电动势便可以得到巷道围岩由近及远的电性分布情况。全空间条件下既满足早期又满足晚期的全区视电阻率定义是直接利用数值方法求取均匀半空间地表的瞬变响应的反函数。满足晚期条件下视电阻率计算公式为：

式中：C为全空间响应系数；M为发送回线的磁矩；q为接收线圈有效面积；t为瞬变延迟时间；V_Z为感应电动势。瞬变电磁法时间-深度转换公式为^[22-23]:

式中：Ds（t）为t时刻电磁场传播深度；V（ρ_s,t） 为任意导电质分布情况下电磁场垂直扩散速度。巷道瞬变电磁法工作装置一般采用多匝数、小重叠回线组合来进行超前探测^[22]。

2   工作面地质概况与地球物理特征

2.1   地质概况

安源煤矿4218工作面位置位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，地表为丘陵荒坡、无水体、无房屋。地势北高南低、西高东低，海拔1 280～1 315 m，地表高差约38 m，地形起伏较小。井下位置北侧为矿井井田边界，东侧为实体煤柱，南侧为辅运大巷，西侧为北翼辅运巷。4218工作面标高+1 212～+1 233 m，平均+1 222.5 m。

从地表出露和钻孔揭示的地层情况看，研究区地层由老到新仅分布有三叠系上统延长组（T₃y），侏罗系中、下统延安组（J_1-2y₁）和第四系（Q₄）地层。

据钻孔揭示三叠系上统延长组（T₃y）地层为浅灰绿色砂岩，厚度大于18.57 m。侏罗系中、下统延安组（J_1-2y），延安组为含煤地层，由于后期的侵蚀和剥蚀作用，厚度由西南向东、向北变薄，厚度97.57～220.88 m，平均厚度183.32 m。根据区内钻孔揭露和井田东部冲沟中出露的地层露头分析，该组地层可分为3个岩段，岩性由灰色、深灰色砂质泥岩，灰色、灰白、浅灰色细砂岩，浅灰、灰色粉砂岩，灰色泥岩，中砂岩，炭质泥岩及煤层组成。共含煤3～8层，含可采煤层3层，可采或局部可采的煤层为Ⅲ-2、Ⅳ-2、Ⅵ-1号煤层，累计可采厚度3.89～6.40 m，平均5.31 m。第四系全新统风积砂土（Q4）在井田范围内大面积分布，厚度1.50～12.50 m，平均8.98 m，主要岩性以风积粉细砂为主，不整合于中、下侏罗统含煤地层之上。

安源煤矿含煤地层为一倾向南西的单斜构造形态，倾角一般1°～3°，地层产状变化不大。4218工作面主采Ⅳ-2煤层厚度2.9～3.1 m，平均3 m。该工作面处于井田宽缓向斜的轴部，两端高中部低；矿区内无明显的褶皱，仅有微波状起伏。井田内仅发育有一定数量的中小型断层，生产揭露落差≥2 m的断层16条，全部为正断层。其中落差10～20 m的断层1条（F1），落差5～10 m的断层3条（FII、F7-3、F10-3'），落差2～5 m的断层12条；落差小于2 m的断层35条，均为正断层。本地区应属于地震活动微弱区。

井田范围内影响主采的Ⅳ-2煤层的含水层有第四系孔隙潜水含水层、侏罗系碎屑岩类孔隙-裂隙承压含水岩组含水层。第四系孔隙潜水含水层覆盖在煤系地层上部，以风积砂土为主，厚度0～12.50 m，为透水不含水层。侏罗系碎屑岩类孔隙-裂隙承压含水岩组（J1-2y）划分出3个砂岩含水层位，即C、D、E含水层。其中，C含水层分布在延安组第三岩段的Ⅲ-2煤层以上，含水层厚度0～60.03 m，平均厚度33.30 m；D含水层，位于Ⅲ-2～Ⅳ-2煤层之间，即Ⅳ-2煤层顶板砂岩孔隙水，含水层厚度0～15.59 m，平均厚度3.10 m，根据开采坑道的资料显示，其富水比较弱；E含水层，位于Ⅳ-2～V-1煤层之间，含水层厚度0～16.10 m，平均厚度5.54 m。由于煤系地层地质构造比较简单，断层也不发育，故未形成较大的充水空间，加上地下水补给来源有限，对掘进施工影响不大。在侏罗系中、下统延安组（J_1-2y）地层中分布有多层泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等岩层，具有一定的隔水作用。但这些岩层横向上不连续，并且主采的Ⅳ-2煤层回采产生的裂隙多会破坏这些岩层的隔水效果。

3   工程应用

本次勘探的主要地质任务为先采用地面瞬变电磁法探明4218工作面内影响Ⅳ-2煤层的地下水分布情况，后在工作面辅运顺槽巷道掘进期间采用井下瞬变电磁法查清前方煤岩层的相对富含水情况。本文井下瞬变探测仅以4218工作面辅运顺槽Q6点前49 m位置处为例介绍。

3.1   探测方法及工作参数

地面瞬变电磁法采用ProTEM57瞬变电磁仪，中心回线装置。通过施工参数试验确定施工参数发射线框120 m×120 m，发射电流10 A，发射频率25 Hz，20 m×20 m测网进行布置测线，共设计测线48条，测线按纵向距离命名，测点1 074个。

井下瞬变电磁法施工位置为4218工作面辅运顺槽Q6点前49 m位置处，采用terraTEM瞬变电磁仪，重叠回线装置，接收、发射回线尺寸2 m×2 m，发射回线40匝，接收回线60匝，采样时窗1～34，有效探测距离28～112 m。

在巷道迎头布置物理点9个，分别为巷道左帮90°、60°、45°、30°、0°、右帮30°、45°、60°、90°，每个测点探测顶板D1（30°）、顺层D2、底板D3（45°）3个方向（图1）。

图  1  瞬变电磁法超前探测点布置及探测方向示意图

Figure  1.  Transient electromagnetic method of advanced detection point layout and detection direction diagram

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3.2   数据处理与分析

以瞬变电磁单点曲线和钻孔资料为依据，分析视电阻率断面图各地层与电性层的对应关系。正常情况下，视电阻率一般横向变化小，垂直方向接近层状分布。如果探测范围内含水层富水性不均或有较大的构造，断面图上视电阻率等值线一般会表现出扭曲、圈闭、变形或密集条带状等特点，据此推断出异常构造范围。

据AY04号钻孔揭露，第四系底板埋深9.17 m，延安组三岩段底板埋深41.47 m，III-2煤底板埋深63.45 m，IV-2煤层底板埋深87.03 m，延安组二岩段底板埋深110.4 m，延安组一岩段底板埋深200 m。结合钻孔资料分析位于AY04号钻孔附近的L800线0号测点瞬变电磁实测视电阻率单支曲线图（图2）地层与典型层的对应关系，该曲线类型为KKHA型，曲线首支为K型，即H=0～60 m，视电阻率呈现最大值，主要为延安组三岩段细粒砂岩及灰色砂质泥岩的电性反映；曲线KH型，即H=60～110 m，主要为延安组二岩段砂质泥岩、粗粒砂岩、粉砂岩及煤层的电性反映；曲线A型，即H＞110 m，延安组一岩段砂质泥岩、粉砂岩的电性反映。

图  2  L800-0视电阻率单点曲线图

Figure  2.  L800-0 apparent resistivity single point curve

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图3是AY04钻孔附近地面瞬变L840测线0～480点范围内的视电阻率断面图。图3中，视电阻率值纵向上随深度增加先增大后减小再增大；在横向上，视电阻率等值线表现为基本沿着地层的倾向似层状，反映了地层层状分布的特点，煤系地层层位稳定，等值线平滑呈层状展布，与钻孔揭露的地层层状分布相吻合。在剖面20～80 m及340～480 m区域视电阻率等值线呈现低半阻闭合状，为明显的低阻异常，推断为IV-2煤层顶板上方延安组砂岩富水异常所致。

图  3  L840线地面瞬变电磁法视电阻率断面图

Figure  3.  L840 line ground transient electromagnetic method apparent resistivity cross section

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4218工作面辅运顺槽Q6点前49 m位置处井下瞬变电磁法探测资料处理与分析，首先分析各探测方向的视电阻率等值线扇形图（图4）。图中：X轴表示距测点位置的横向距离，Y轴为距测点的纵向距离，Z轴为垂向分布（发育高度），图中用红色等值线圈出异常区。

图  4  瞬变电磁法超前探测成果图

Figure  4.  Results of transient electromagnetic method advanced detection

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图4a为4218工作面辅运顺槽迎头位置顶板30°视电阻率等值线断面图。该探测方向存在2处相对低阻区域，分别命名为A、B相对低阻异常区。顶板A相对低阻异常区位于探测方向左前方，在X轴上范围为−43～−79 m、Y轴上范围为45～85 m，在Z轴上范围为22～43 m。顶板B相对低阻异常区位于探测方向右前方，在X轴上范围为35～71 m、Y轴上范围为56～81 m，在Z轴上范围为28～41 m。

图4b为4218工作面辅运顺槽迎头位置顺层视电阻率等值线断面图。分析成果图可得出，该探测方向存在1处相对低阻区域，命名为C相对低阻异常区。顺层C相对低阻异常区位于探测方向右前方，在X轴上范围为55～90 m、Y轴上范围为37～77 m。

图4c为4218工作面辅运顺槽迎头位置底板45°视电阻率等值线断面图。该探测方向存在1处相对低阻区域，命名为D相对低阻异常区。底板D相对低阻异常区位于巷道左侧，在X轴上范围为−53～−110 m、Y轴上范围为0～57 m、Z轴上范围为0～−41 m。另外，在底板探测方向右前方X轴上范围为32～50 m，Y轴上范围为62～85 m范围内有低阻显示，仍须加强关注。

图4d为4218工作面辅运顺槽迎头位置顶板30°、顺层、底板45°异常区平面分布图。图中红色区表示顶板异常区，蓝色表示顺层异常区，绿色表示底板异常区。

3.3   解释

图5a为工作面IV-2煤层附近电性切片图，该图可以在平面及深度上较准确地反映IV-2煤层附近视电阻率的变化趋势。可以看出，视电阻率等值线以低阻值和高阻值呈闭合或半闭合相间分布，视电阻率值基本在10～70 Ω·m之间变化。结合水文地质及钻孔资料分析，低阻区主要为砂岩富水地段，高阻区主要为砂岩弱含水或不含水地段。根据电法资料，结合地质资料综合分析，共圈定低阻异常区7处，编号依次为I-1～I-7。其中，I-1号相对低阻异常区主要位于线距760～940 m，点距80～480 m范围内，该区域主要位于测区北部矿界外，根据地质资料显示该区域存在邻矿工作面采空区和F1断层，推断该异常区为采空区积水和断层裂隙导水共同所致，富水的可能性较大，为中等富水区。I-2号相对低阻异常区主要位于线距520～680 m，点距160～360 m范围内；I-3号相对低阻异常区主要位于线距360～460 m，点距400～480 m范围内；I-4号相对低阻异常区主要位于线距240～400 m，点距240～440 m范围内；3处区域主要位于测区中部，煤层顶板砂岩起伏形态变化相对平稳，易于砂岩水的储存，推断该区域低阻为砂岩富水所致。I-5号相对低阻异常区主要位于线距320～400 m，点距80～160 m范围内；I-6号相对低阻异常区主要位于线距0～160 m，点距80～280 m范围内；I-7号相对低阻异常区主要位于线距80～160 m，点距300～480 m范围内；上述3处低阻区域附近均有巷道存在，可能对探测结果产生一定的影响，但不排除砂岩裂隙富水的可能。I-2～I-7号相对富水区范围较小，煤层顶底板附近为砂质泥岩，富水性较差，为弱富水区。

图  5  地面与井下瞬变探测结果对比图

Figure  5.  Comparison chart of transient detection results between ground and underground

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图5b为地面与井下瞬变探测富水区解释平面图，地面瞬变法共解释出1处中等富水区（深蓝色）和6处弱富水区（浅蓝色），井下瞬变电磁法解释的异常区在顶板30°、顺层、底板45°各有1处与地面I-3号、I-4号弱富水区重合，重合共3处，重合率较高。验证了解释成果的准确和可靠，能为煤矿安全开采提供可靠地质依据。

4   结论

1）井下瞬变电磁法数据与地面瞬变电磁法反演结果基本一致，说明地面与井下综合瞬变电磁法能有效降低物探解释多解性，提高探测准确度。

2）结合地质和钻孔资料，推测IV-2煤层顶、底板相对低阻区域为砂岩富水地段，其低阻成因很可能是砂岩裂隙含水所致，而富水区的高阻特征则很可能是砂岩弱含水和不含水的反映。

3）对探测成果中提到的相对富水区，建议安排进一步的井下物探或钻探等更直接的勘探工作来进行验证，即可对物探资料起到验证和校正作用，也对后续工作具有指导意义。