盾构法施工巷道顶板煤层位置震电磁耦合快速探测技术研究

郭志方

淮北矿业（集团）有限责任公司杨柳煤矿  安徽淮北  235100

摘  要：为了准确探测巷道顶板上方高瓦斯煤层位置，采用理论分析结合数值模拟的方法，获得了受限空间不同类型震源的波场传播规律和地电场特征，揭示了顶板岩层厚度与地震波参数、地电场参数之间的关系。分别采用瞬变电磁法和地震面波法对杨柳煤矿1093风巷抽采巷顶板的近距离高瓦斯煤层位置进行了探测，探测结果表明：两种方法探测结果均与地质剖面图预测的煤层位置具有较好的对应关系，最终利用二者结合的地震电磁耦合技术快速、精准地定位了杨柳煤矿不同区域地段顶板煤层位置，探测准确率达到90%以上，有效避免了巷道掘进过程中误揭煤带来的瓦斯突出风险，确保了巷道掘进过程中的施工安全。

关键词：瞬变电磁法；地震面波法；近距离煤层；位置探测

0 引  言

煤炭作为我国的主要能源，其主体地位在较长时间内不可改变。在煤矿巷道开挖方法中，与传统的钻爆法和掘进机开挖巷道相比，盾构作为一种施工安全性好，掘进速度快的高效施工方式，被越来越多地应用于煤矿巷道的掘进，大大提高了煤矿井巷工程的施工效率，一定程度上解决了煤矿采掘接替紧张的局面[1, 2]。杨柳煤矿1093风巷抽采巷采用盾构施工，该巷道顶板上方存在近距离煤层，而盾构机过断层破碎带等地质异常体时存在误揭煤风险，大大增加了突出的危险性。因此，掘进过程中需要对煤层位置进行超前探测，确保施工安全。

矿井超前探测技术包括传统钻探和物探，但传统的钻探预测法耗时耗力，探测精度较低，且严重影响掘进速度。本文基于瞬变电磁法及地震面波法开展地震电磁耦合联合探测技术研究，该技术大大提高了煤层位置探测结果的有效性和准确度，为近距离高瓦斯煤层的巷道掘进供强大的技术支持，为矿井安全高效生产提供了保障。

1 顶板岩层厚度探测技术原理

本项技术的探测理论主要基于地球物理两大场论，分别为地震波场与电磁场。理论上来说，由震源激发而出的地震波会在地层中传播，不同地层的密度及速度存在着差异，在其分界面上会产生波阻抗差异界面，地震波在波阻抗界面处会产生反射、散射和透射等一系列波场变化，尤其是煤层与岩层这一显著波阻抗界面。因此，捕获分界面产生的异常地震信号，即可实现对顶板岩层厚度的探测。而在电磁场中，不同的地层存在电阻率、介电常数等电性参数上的差异，这种差异会造成瞬变电磁二次场响应上的差别。因此，当在岩层中发射的电磁场遇到顶板的煤层时，会产生不同的二次响应场，捕获这一二次响应的电磁场信号，即可实现基于瞬变电磁的顶板岩层厚度的探测。顶板岩层厚度的探测主要是利用地震方法与瞬变电磁方法来进行综合分析而实现，因此，需要对煤岩界面的波阻抗、电阻率，以及介电常数的差异来进行研究分析。

2 数值模拟研究

本节将在理论分析的基础上，结合数值模拟获得受限空间不同类型震源的波场传播规律和地电场特征，揭示煤厚与地震波参数、地电场参数之间的关系，确定初步的采集参数、观测系统，为煤岩界面地震多波和瞬变电磁探测方法与融合评价技术提供理论支撑。

2.1 电磁场数值模拟

（1）模型的构建

为从理论上探究瞬变电磁方法对研究区顶板岩层厚度探查的可行性及可靠性，基于有限元数值分析方法，针对杨柳煤矿实际地电特征，开展了相关正演模拟工作。正演模拟内容主要分析不同地电条件下的瞬变场响应特征及其视电阻率曲线变化特征，以此确定瞬变场最佳采集参数并为实际生产工作提供相关指导。正演模拟包括不同煤与围岩电阻率差异模拟及不同煤层厚度模拟，其相应的模型如图1所示。

(a) 煤与围岩电阻率差异层状模型	(b) 岩层厚度变化模型
图1 顶板岩层厚度变化模拟结果图

（2）特征分析与参数优选

由于地下介质电阻率是影响瞬变场的主要参数，为研究瞬变电磁法探测效果的可行性，建立如图1（a）所示的层状模型，通过改变模型中均匀围岩介质的电阻率，对不同电性差异地电模型的理论瞬变场响应特征进行分析，并以此评价瞬变电磁法对矿区地电特征变化的敏感度。由于瞬变电磁方法通常采用视电阻率衡量地下地质地电特征变化，便于更好的利用瞬变电磁法去探测岩层厚度，因此，根据煤与围岩间的电阻率差异建立层状模型，并开展相应的正演模拟，来分析电阻率差异的变化对岩层厚度判断的影响情况。

图2为图1（a）所示模型的正演模拟结果，如图2（b）所示，不同围岩电阻率差异下，感应电压曲线在10-3至10-1ms差异较大，且随围岩电阻率差异（Δρ=ρ煤-ρ均匀围岩）的增大，感应电压曲线的幅值也随之上升；其对应的视电阻率曲线结果显示随Δρ的增大，2×10-4ms后的视电阻率逐渐下降，如图2（a）所示。由此推断，3m煤层的瞬变场响应也基本在2×10-4ms前，之后随时间推移瞬变场传播至均匀围岩介质中，视电阻率曲线出现低值区，最终传播至砂岩层，视电阻率也随之上升，形成H型。根据模拟的结果可以看出，当煤与围岩电阻率差异较小时，感应电压基本没有太大的影响，但是视电阻率差异较为明显，同时根据杨柳

煤矿的地质条件可知，岩石巷道顶板上方一定距离为煤层，岩层与煤之间的电阻率差异较大。因此，可以有效的进行煤、岩的区分，证明了将瞬变电磁法用于岩层厚度的探测具有可行性。

针对这部分的模拟，主要是为了验证煤层厚度的变化不影响瞬变电磁煤厚的探测结果，为了便于更好的利用瞬变电磁法去探测煤层位置，建立层状模型，其中顶板岩性自下而上分别为泥岩、煤、砂岩、泥岩，底板岩性自上而下分别为泥岩、砂岩、泥岩、砂岩、泥岩、砂岩，并在巷道中部建立空气层，并分别开展了顶板岩层厚度变化和底板岩层厚度变化的模拟。

(a) 视电阻率结果	(b) 感应电压结果
图2 煤与围岩电阻率层状模型正演结果图
(a) 顶板岩层视电阻率结果	(b) 顶板岩层感应电压结果
图3 顶板岩层厚度变化模拟结果图

图3为图1（b）所示模型的正演模拟结果，如图3（b）所示，不同岩层厚度模型的感应电压在早延时（10-4至10-3ms）差异较大，且随岩层厚度的增大，感应电压曲线幅值逐渐下降；图3（a）所示为模型视电阻率曲线，在顶板岩层厚度较薄时，视电阻率曲线的首支与岩层电阻率差异较大，当顶板岩层厚度逐渐增大时，视电阻率曲线首支逐渐趋于岩层电阻率，在岩层厚度大于10m时，视电阻率曲线首支与岩层电阻率基本一致。以上结果表明，理论瞬变场对顶板岩层厚度变化具有一定的响应，顶板岩层厚度越厚，其视电阻率幅值越趋于岩层电阻率，且顶板岩层厚度的增加也使得反应岩层的视电阻率曲线时窗变大，根据烟圈理论，瞬变场传播深度与时间成正相关，因此，越大的时窗代表瞬变场传播时间深度越大，进而可衡量岩层厚度。

2.2 地震波场数值模拟

（1）模型的构建

为了研究地震波场在不同介质中的传播规律，建立二维模型，主要层位共8层，分别是1-顶板砂岩层位（厚度28m），2-顶板泥岩层位（厚度2m），3-煤层（厚度20m），4-底板炭质泥岩层位（厚度2m），5-底板细砂岩层位（厚度10m），6-底板泥岩层位，7-底板砂岩层位（厚度20m）以及8-底板泥岩层位（厚度2m）；根据模型中各层位的厚度及特征，设置各层位密度显示的模型整体形态及各层位参数如图4所示。

(a) 二维层状模型-密度	(b) 各层位参数
图4 不同参数显示下的二维层状模型

图5 检波点及炮点排列设置

（2）特征分析与参数优选

为了进一步了解该区域的波场特征，并对实验参数进行优选，本次模拟选用多炮进行不同偏移距的波场模拟，观测系统设置如图所示，布置了12个间隔为1m的检波点和71个间距为0.5m的激发点，为避免边界干扰，模型深度区域设置较大，深度设置2000m。

采用高阶有限差分声波数值模拟技术对数值模型进行计算，采样间隔为0.1ms，采样时间为100ms，点震源激发，采用多炮激发全排列接收的方式进行。图6为不同时刻的地震数值模拟波场快照。图6（a）T=10ms时刻快照显示，由震源点激发出的地震波入射进入顶板地层，并在顶板板煤岩界面上发生反射与透射，反射波携带着煤岩界面信息传递回接收点，而透射波进一步向下传播。图6（b）T=20ms时刻快照显示，地震波进一步在煤层中传播，并在底板煤岩界面处发生发射与透射，反射波则携带着底板煤岩界面信息回传至接收点。图6（c）和（d）显示，地震波进一步会传播至底板不同地层处，并发生反射。通过上述波场快照可知，地震波可以在岩-煤界面、煤-岩界面以及岩-岩界面均会发生反射，但是由于交界面波阻抗差异不同，可以看出煤岩分界面的反射信号会明显较强（反射系数较大造成）。因此可见，地震信号具备反映煤岩分界面的能力，尤其是当煤岩波阻抗差异较大时，其信号更强，其信号分析结果可为实际采集数据提供解释基础。

(a) T=10ms	(b) T=20ms
(c) T=30ms	(d) T=40ms
图6 地震数值模拟波场快照

3 煤层位置现场探测

为了实现杨柳煤矿1093风巷抽采巷顶板近距离煤层位置的精确探查，本节将利用瞬变电磁法及地震面波法对顶板岩层厚度分别进行判断，综合两种技术的判断结果，最终确定顶板煤层的位置。

3.1 瞬变电磁法现场探测

（1）探测方案：

根据杨柳煤矿1093风巷抽采巷预测的巷道围岩情况，瞬变电磁法探测方案共选取5个测点，其中组装硐室有2个测点，迎头掘进位置（钻孔DG1-3）有2个测点，两者中间有1个测点（2#位置）。测点1、2之间距离2m，测点3、4之间距离2m。对每个测点进行至少一次瞬变电磁测法探测，如图7所示。

图7 瞬变电磁法探测测点布置示意图

（2）现场实施方法：

瞬变电磁法探测的仪器为YCS360A矿用本安型瞬变电磁仪，配单分量高分辨率线圈，线圈采用圆形设计，直径0.5m；采样参数：发射频率25Hz，采样频率1.25MHz，叠加次数512，测道数40。

将设备安装好，软件参数设置完成即可将瞬变电磁线圈放置于顶板需要探测的位置，保证放置的位置无托盘、钢带等大型铁器的干扰，即放置于仅有锚网的位置。在采集的过程中要保证瞬变电磁线圈处于固定状态，不发生来回抖动的现象，同时需要保证瞬变电磁线圈紧贴顶板，可选择顶板相对平整的位置进行探测，在同一个地点连续探测

7 次即可完成瞬变电磁数据的采集工作。

（3）探测结果分析：

(a) 测点1

(b) 测点2

(c) 测点3

(d) 测点4

(e) 测点5

图8 瞬变电磁法各测点探测结果

图8展示了采用瞬变电磁法探测的各测点测试结果，由图可以看出，测点1处煤层位于顶板上方9.5m处，煤层厚度为1.5m；测点2处煤层位于顶板上方11m处，煤层厚度为1.5m；测点3处煤层位于顶板上方14m处，煤层厚度为2m；测点4处煤层位于顶板上方11m处，煤层厚度大约为1.5m；测点5处煤层位于顶板上方18m处，煤层厚度大约为2.5m。将瞬变电磁法煤层位置的探测结果与1093风巷抽采巷地质剖面图中预测的煤层位置及煤厚进行对比，见表1。由表1可以看出，瞬变电磁法的探测结果基本符合地质剖面图中预测的煤层位置及煤层厚度。

表1 瞬变电磁探测结果与地质剖面图预测结果的对比分析

测点编号	瞬变电磁法探测结果	地质剖面图预测结果
测点1	距离顶板9.5m，煤厚1.5m	煤层位于顶板上方10至10.5m处，煤厚为2.5m
测点2	距离顶板11m，煤厚1.5m
测点3	距离顶板14m，煤厚2m	煤层位于顶板上方18m处，煤厚为2.3m
测点4	距离顶板11m，煤厚1.5m
测点5	距离顶板18m，煤厚2.5m	煤层位于顶板上方24m处，煤厚为2m

3.2 地震面波法现场探测

（1）探测位置：

地震采集探测方案共选取7个测点，其中组装硐室有4个测点，间隔0.5m，迎头掘进位置（钻孔DG1-3）有3个测点，间隔0.5m。其中测点1和测点6为同一位置，测点4和测点11为同一位置。如图9所示。

图9 地震面波法现场探测测点布置示意图

（2）现场实施方法：

地震面波法采用YZD11矿用槽波地震电法仪进场数据采集，选择28Hz的探测传感器可实现面波、散射及折射数据的采集；排列方式为1发3收单分量模式，道间距1m，激发点采用小偏移距激发，震源可随具体探测方式改变；采集参数中的采样频率为10KHz（采样间隔0.1ms），采样长度4K，超前采样点128。

将地震设备进行连接，首先连接基站和三分量连接线，然后将三分量检波器、支撑杆、伸缩杆进行连接，具体连接长度根据巷道高度来进行决定。检波器应放置在顶板煤层相对平整的位置，且保证探测周围煤层较为完整，不要出现大范围破碎、不均匀的情况。数据采集时，点击相应的测点，并点击采集按键，然后用震源锤敲击顶板，等待信号的接收，重复操作，等四个点采集完成后即可。

（3）探测结果分析：

图10展示了采用地震面波法探测的各测点测试结果。以测点6为例对探测结果进行分析，由于岩石的波阻抗作用及岩体中存在的节理裂隙等地质缺陷，波在岩层中传播时其能量将逐渐衰减，体现在波曲线上则是波的较大波动幅值逐渐趋于平缓，如图10(a)所示。因此，当距离锤击点较远处的反射波出现轻微波动时，并非波速变化较小，而是波的能量衰减严重，导致遇到较大反射面时波动幅值较小。由图10(a)可以看出，反射波第三次反射的拾取选择在6.4ms附近，此处波的震荡幅值明显大于其前后附近的幅值，经过与此位置处的地质剖面图对比分析可知，反射波在深处发生的幅值变化较大的位置，应为煤岩分界面。因此，由图10(a)中测点1距离初至较大幅值的反射点分析可知，此处煤层位置距离顶板为10.7m。

同样的，从图10中的其他测点测试结果分析可以看出，测点7、8、9、10和11的煤层位置距离顶板分别为11.07m、10.62m、19.06m、20.12m和22.92m。将地震面波法煤层位置的探测结果与1093风巷抽采巷地质剖面图中预测的煤层位置及煤厚进行对比，见表2。由表2可以看出，地震面波法的探测结果与地质剖面图中预测的煤层位置对应关系较好。

(a) 测点6	(b) 测点7
(c) 测点8	(d) 测点9
(e) 测点10	(f) 测点11
图10 地震面波法各测点探测结果

表2 地震法探测与地质剖面图对比分析表

测点编号	地震面波法探测结果	地质剖面图预测结果
测点6	距离顶板10.7m	煤层距离顶板大约10至10.5m
测点7	距离顶板11.07m
测点8	距离顶板10.62m
测点9	距离顶板19.06m	煤层距离顶板大约18m
测点10	距离顶板20.12m
测点11	距离顶板22.92m

3.3地震电磁耦合技术煤层位置探测结果分析

综合瞬变电磁法及地震面波法现场探测结果，并参考地质剖面图的预测结果，最终确定组装硐室范围内煤层位于顶板上方10~11 m范围，煤层厚度为2.0 m；迎头（钻孔DG1-3）范围内煤层位于顶板上方18~20 m范围，煤层厚度为2.1 m；2#位置煤层位于顶板上方20~22 m范围，煤层厚度为2.0 m。

4 结论

（1）采用理论分析结合数值模拟的方法，获得了受限空间不同类型震源的波场传播规律和地电场特征，揭示煤厚与地震波参数、地电场参数之间的关系，确定初步的采集参数、观测系统，为煤岩界面地震多波和瞬变电磁探测方法与融合评价技术提供了理论支撑。

（2）根据数值模拟中得到的采集参数，对杨柳煤矿1093风巷抽采巷分别进行了瞬变电磁法和地震面波法煤层位置探测，探测结果显示，二者均与地质剖面图预测的煤层位置具有较好的对应关系，表明瞬变电磁法和地震面波法探测在顶板煤层位置勘探领域具有可行性。

（3）综合考虑瞬变电磁法和地震面波法探测结果，最终利用地震电磁耦合技术确定的煤层位置为：①组装硐室范围内煤层位于顶板上方10~11 m范围，煤层厚度为2.0 m；②迎头（钻孔DG1-3）范围内煤层位于顶板上方18~20 m范围，煤层厚度为2.1 m；③2#位置煤层位于顶板上方20~22 m范围，煤层厚度为2.0m。

（4）通过数值模拟及现场实测试验表明，地震电磁耦合技术快速、精准地定位了杨柳煤矿顶板近距离高瓦斯煤层位置，探测准确率达到90%以上，有效避免了巷道掘进过程中误揭煤带来的瓦斯突出风险，确保了施工安全。

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作者简介：郭志方(1988—),男,汉族,安徽宿州人,工程师，学士。