王 程，安又新，朱宏军，郭建磊
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
我国煤炭开发正由浅部走向深部，深部煤矿受岩溶水的威胁尤为突出，特别是对开采石炭-二叠系煤层的华北型煤田[1]。华北区域含煤地层受巨厚奥陶纪灰岩含水层威胁，由于采动效应的影响致使原始应力平衡状态被打破[2]，形成采动破坏带，一旦其破坏深度大于有效隔水层厚度，将会形成导水通道导致采煤工作面发生底板水害。所以应重视底板破坏深度的探测，避免底板隔水层变薄区或隐伏构造区采动引起底板突水等灾害。
对于正常煤层底板岩层可通过相似模拟试验、数值模拟等方法计算底板破坏深度，如突水系数公式[3-4]、“下三带”及“四带”理论[5]、原位张裂和零位破坏理论[6]、采深、采宽和采高3 因素影响的新预测模型[7]、物理模拟模型[8-9]等方法近似得出底板破坏深度，但由于煤层底板岩层性质多变，加之构造及原生裂隙等影响，上述方法还无法满足实际防治水工作的需要。在实际工作中，采用原位测试的方法对煤矿回采工作面底板破坏深度进行现场实测，主要的方法为钻孔注(压)水法和地球物理方法，其中地球物理方法具有快速无损、施工效率高、成本低廉等优点，近些年被广泛地应用回采工作面底板破坏深度测试和研究中[10-11]。
针对回采工作面底板破坏深度测试所采用的地球物理方法主要有：高密度电法和双巷并行电法，董春勇等[12]采用高密度电法对煤层底板破坏深度进行了定期的探测；
吴荣新等[13]采用双巷并行电法成功探测工作面底板富水性特征及薄煤区范围，但由于开采区工作条件的限制，仅在巷道中布设采集点只能用于探测工作面前方受超前支撑应力的压缩区，以及工作面回采前期顶底板赋水性探查，对于工作面回采后采空区底板的破坏深度难以有效探测；
刘树才[11]、高召宁[14]等采用孔巷电阻率CT 的方法对回采工作面底板破坏深度进行了监测；
杨峰等[15]采用地质雷达提出对数功率剖面技术分析煤矿隐伏病害，并取得良好效果，但由于电磁波趋肤效应的影响，探测深度有限；
张平松等[16]利用地震层析成像技术，通过观测弹性波在岩层中的传播时间，进行反演成像得到岩层不同速度分布图来判断破坏带的发育深度。近几年张平松等[17]基于分布式光纤传感技术及跨孔电阻率CT 原位综合测试技术，对准格尔煤田某矿6 煤开采期间的底板岩层变形与破坏过程及其特征进行研究，但这两种方法均对检波器或传感器与钻孔壁的耦合要求较高，且要求钻孔封孔材料近似恢复原岩物理性质，工艺有待进一步的研究。
煤矿回采工作面采空后，顶板导水裂隙带波及顶板含水层时，上覆含水层水流入采空区，并顺底板破坏裂隙渗入底板破坏带，会导致底板破坏带岩层的电阻率降低，为矿井电法探测底板破坏深度提供了地球物理前提条件。
矿井瞬变电磁法相比直流电法方法具有对低阻体敏感、效率高等特点，广泛应用于采掘工作面顶底岩层含水构造的探测。但由于煤矿巷道中的铁锚杆与锚网、采掘机械等设备对电磁波传播影响较大，导致瞬变电磁法解释精度降低，制约了瞬变电磁法的应用。针对此问题，近几年发展起来的孔中瞬变电磁法[18-20]将瞬变电磁法收发装置置于钻孔中，避开了巷道内干扰源，提高了数据信噪比，促进了瞬变电磁法被广泛应用于煤矿防治水及其他领域。
本文以准格尔煤田酸刺沟煤矿6119 回采工作面为研究背景，采用孔中瞬变电磁探测技术及装置，在钻孔内探测回采工作面采空区底板电性破坏层，从而推断采后底板破坏深度，经过理论计算和钻孔注水分段压水测试，验证本次孔中瞬变电磁法的推断，对该区域内巨厚煤层综放工作面底板破坏深度测试具有一定的借鉴意义。
1.1 方法原理
孔中瞬变电磁法与瞬变电磁法原理基本一致，利用回线圈向钻孔周围发送脉冲式一次电磁场，用线圈观测由该脉冲电磁场感应的钻孔附近涡流产生的二次磁场三分量信号，通过垂直分量数据反演成像获取钻孔附近的低阻异常体，然后再利用水平分量对异常体中心进行定位。相比在巷道内收发的瞬变电磁法，孔中瞬变电磁法收发装置均位于钻孔内，远离了巷道内各种干扰；
探测目标为钻孔径向20 m 范围内的地质异常体，异常信息行程近，损耗小，异常场扩散小，分辨率高。
孔中瞬变电磁法施工工艺为采用钻机将收发探头一次性推送至孔中[21]，以等间距点距逐一完成全孔段数据采集工作，探测钻孔径向20 m 范围的异常体位置。孔中瞬变电磁法设备和探测原理如图1 所示。
图1 孔中瞬变电磁探测原理[22]Fig.1 Schematic diagram of borehole TEM detection[22]
1.2 数据处理
采集到孔中瞬变电磁法的数据后，首先对数据进行多匝回线电感影响消除及曲线偏移的预处理[23]，然后对磁场的垂直分量计算得到晚期视电阻率。
1)电感校正
由于极小和多匝数的发射线圈，使一次场的关断时间变长，导致孔中接收的二次感应场早期信号畸变，因此，需要进行早期信号的校正。
式中：ET为校正后的感应电动势，V；
E为采集到原始感应电动势，V；
为n匝回线圈的电感系数；
I为发射电流，A；
t为观测时间，s。
电感系数为：
式中：n为回线圈匝数；
μ0为真空磁导率，取4π×10-7N/A2；
b为方形回线边长，m；
a为导线半径，m。校正后的早期感应电动势曲线的斜率与晚期方可达到一致。
2)曲线偏移
孔中多匝极小线圈电容电感和接收的感应电动势较大，使暂态时间变长，导致感应电动势曲线整体抬升，因此，需对电感校正之后的曲线进行整体的曲线偏移处理，步骤如下：首先计算理论的初始感应电动势E0，设置一个很小的差αEnd=Ef-E0作为迭代的终止条件，迭代公式为：
式中：Ef为曲线偏移后的感应电动势，V；
Fk迭代初始值为即式(3)中分母为t5/2；
k为迭代次数；
∇t为迭代步长，初始值设置为0.1。迭代终止后偏移得到的感应电动势曲线则与地面瞬变电磁法常规曲线基本一致。
3)晚期视电阻率
孔中的瞬变电磁感应场与地面不同，其为全空间响应，因此，孔中测量的垂直磁场晚期视电阻率计算公式如下：
式中：ρτ为晚期视电阻率；
C为全空间系数；
S和N分别为发射线圈的面积和匝数；
s和nr分别为接收线圈的面积和匝数；
U为接收电压。
根据磁场垂直分量得到钻孔附近低阻异常体，当需要对异常体定相对钻孔空间位置时，可采用垂直正交于钻孔的 2 组水平分量(X、Y分量)的幅值变化，判断异常中心方位角进行定位[22,24]。
1.3 数值模拟
为了验证钻孔瞬变电磁法探查底板破坏层的效果，设计如图2 所示的2 种模型，采用时域有限差分进行数值模拟，在巷道布设2 个孔深100 m 的钻孔，前20 m为套管段，不测量数据。模型1 为原始未破坏的完整砂岩层模型，模型2 为浅层砂岩经采动破坏电阻率降低，深层为砂岩的二层模型。将模拟的结果数据经过上述的流程处理计算得到图2 的孔中瞬变电磁探查底板破坏层模拟剖面图。由图2 可知，模型1 的孔中瞬变电磁法探查结果视电阻率值趋于均一，模型2 的孔中瞬变电磁法剖面图中，在破坏层内外的视电阻率呈明显差异，位于破坏层内出现明显的低阻异常区，这一低阻异常的厚度、位置均与模型设置吻合较好，探测精度较高。
图2 孔中瞬变电磁探查底板破坏层模拟剖面Fig.2 Section of transient exploration of floor failure layer in simulated hole
2.1 地质概况
酸刺沟煤矿位于准格尔煤田东部，鄂尔多斯向斜的东北缘，天桥泉域西部的径流排泄区，目前主要综放开采石炭-二叠系太原组的6 号煤层，6 号煤层顶板充水水源有山西组砂岩含水层和上、下石盒子组砂岩含水层，其中上石盒子组砂岩含水层富水性极差，下石盒子组砂岩和山西组砂岩含水层富水性弱-中等，局部较强。根据临近工作面采后观测结果显示，导水裂隙带发育基本均导至地表。该矿6119 工作面回采期间，顶板含水层水顺顶板裂隙带流入采空区，采空区水量基本稳定在20 m3/h，部分水通过底板破坏裂隙渗入底板破坏的岩层裂隙中，导致底板破坏层位的电阻率值降低。
2.2 工程布置
采用孔中瞬变电磁法测试6119 工作面回采后底板破坏深度，6119 工作面已回采，西侧6121 工作面巷道形成未回采。在6121 工作面辅运巷3 号联巷位置，布置CS5 钻孔斜向下穿过6119 和6121 工作面之间煤柱进入6119 工作面底板破坏区域，水平投影距离60 m 左右，布置DB2 钻孔斜向下进入6121 工作面底板，此孔为未破坏区域对比孔，两孔垂深均为40 m。
孔中瞬变电磁法施工区段为：CS5 钻孔出套管后，距孔口位置10 m 处开始施工，探测点间距2 m，共探测范围10～80 m；
DB2 钻孔出套管后，距孔口位置8 m处开始施工，探测点间距2 m，共探测范围8～62 m。
另外施工2 个不同倾角的钻孔CS4 和CS6，与CS5 和DB2 采用钻孔注水试验法验证孔中瞬变电磁法探测成果，钻孔施工布置如图3 所示。
图3 钻孔施工布置Fig.3 Drilling construction layout
2.3 成果分析
孔中瞬变电磁法成果如图4 所示，DB2 孔径向20 m范围内所测得的视电阻率值为90～130 Ω·m,说明岩层综合视电阻率值较为均一，裂隙欠发育，推测岩层完整。CS5 孔径向20 m 范围内视电阻率值为30～150Ω·m，岩层综合视电阻率值不均一，较为明显地分为两层，孔深12～52 m 视电阻率值较低，为30～70Ω·m，孔深52～80 m 视电阻率值增高，为80～150 Ω·m。
图4 孔中瞬变电磁法剖面成果Fig.4 Borehole TEM profile
6119 工作面回采过后的区域都属于重新压实区[12]，顶板导水裂隙带发育至地表，顶板含水层水顺着裂隙流入采空区，渗入底板破坏层中，导致岩层电阻率降低，低于正常岩层。通过对比DB2 和CS5 孔中瞬变电磁法成果，推测CS5 孔深52 m 以浅为6119 工作面回采后底板岩层破坏层位，CS5 孔深52 m 对应的垂深为52 m×sin33°=28.3 m，因此，推测6119 工作面回采后，底板破坏层垂深为28.3 m 左右。
2.4 验证对比
为验证钻孔瞬变电磁法探测回采工作面底板破坏深度的精度，首先基于不同岩石破坏准则计算得到的酸刺沟煤矿6119 工作面煤层开采底板破坏深度为25.27～29.70 m，其中：平面应力计算结果为28.19 m；
平面应变结算结果为25.27 m；
弹性理论-M-C 破坏准则计算结果为28.50 m；
弹性理论-Griffith 破坏准则计算结果为25.40 m；
塑性理论计算结果为29.70 m。
然后在CS4、CS5、CS6 和DB2 钻孔采用注水-双栓塞分段压水试验测试底板破坏深度。注水-双栓塞分段压水试验测试是封闭钻孔测试段两端，对测试段进行压水试验，测定钻孔各段的漏失流量，以此了解岩石的破坏松动情况，确定煤层底板的破坏深度。
由图5 可知，钻孔各测试段均随着压水试验压力的增大而压水量相应增加，说明在压水试验过程中未发生原有裂隙堵塞等现象，压水试验前洗孔效果较好。而随着压力的增大，压水量没有出现显著增大的现象，说明在试验压力作用下，未发生原有裂隙加宽或隐裂隙劈裂等现象使岩体渗透系数显著增大。通过对比分析4 个钻孔的曲线，DB2 钻孔全孔段未见明显的压水量增大分界线，CS4 钻孔在垂深24 m 之前相对压水量明显较大，CS5 钻孔在垂深31 m 之前相对压水量明显较大，CS6 钻孔在垂深25 m 之前相对压水量明显较大，因此，推断工作面底板破坏深度为24～31 m。
图5 不同压力下各钻孔压水量变化曲线Fig.5 Water pressure curves of each borehole under different pressures
综上所述，理论公式计算底板破坏深度在25.27～29.70 m，钻孔注(压)水法实测底板破坏深度在24～31 m，孔中瞬变电磁法探测工作面回采后底板破坏深度为28.3 m 左右，经理论和钻孔注水法验证了采用孔中瞬变电磁法探测底板破坏深度的准确性。
a.当回采工作面顶板存在含水层时，顶板水顺导水裂隙带渗入采空区底板破坏层，导致破坏层和完整层的电阻率发生明显差异性，为采用电法探测回采工作面底板破坏深度提供了前提条件。
b.本文采用瞬变电磁法与钻孔相结合的孔中瞬变电磁法，首次将其应用于探测回采工作面底板破坏深度，通过理论公式和钻孔注水法验证了结果的准确率，为探测回采工作面底板破坏深度的提供了一种新的准确测试方法。
c.回采工作面底板破坏深度随工作面倾向长度不同而变化，下一步将在不同平距的钻孔中试验，并结合孔中直流电法进行联合试验，进一步提高探测精度。
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