礦井瞬變電磁法在探測頂板老空區中的應用

趙文曙，王俊奇，牟 義

礦井瞬變電磁法在探測頂板老空區中的應用

趙文曙1，王俊奇1，牟 義2

(1.西山煤電集團西山圪堆煤業有限公司，山西 臨汾 042403;2.煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京 100013)

以巷道掘進頭超前探測頂板上層煤采空區為例，通過采用礦井瞬變電磁法超前探測技術，在巷道掘進頭進行超前數據采集，進行數據處理、反演計算等，形成巷道掘進頭頂板視電阻率剖面圖，解釋了巷道掘進頭上層煤采空區的范圍和位置特征，該超前探測方法拓展了超前探測的范圍，建立了一套適合煤礦采掘過程中超前全方位探測的技術方法。結果表明：礦井瞬變電磁法拓展了傳統礦井物探方法的探測范圍，實現了礦井全方位的超前探測，不僅能探測前方，對頂、底板以及側幫都有較好的探測效果;礦井瞬變電磁法不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測角度的順層切片圖，實現了多角度立體探測。

礦井瞬變電磁法;PROTEM瞬變電磁儀;超前探測;采空區物探;切片

由于各種礦產資源的開采，在地下形成了采空區。特別是各種小煤窯的泛濫開采，導致許多隱性采空區的存在，給煤礦鄰近煤層的掘進和回采產生安全隱患，特別是對下層煤的開采產生影響，主要表現在三個方面：即遺煤自燃、老空區內積水透水和采空區“活化”、頂板發生大面積垮落。如果下部煤層與老采區的距離大于下部煤層開采后覆巖破壞產生的導水裂隙帶高度，則老空區這些安全隱患對下部煤層一般不會造成直接影響;相反，如果距離小于導水裂隙帶高度，這三種安全隱患均會對下部煤層的安全開采造成不同程度的威脅。因此，必須對采空區的位置、范圍、邊界等進行勘探。采空區探測多采用物探方法，有時結合部分鉆孔資料進行驗證。目前，采空區的探測已經成為一項重要的研究課題，但是仍處于發展階段。探測的物探方法很多，各有所長。例如，地質雷達、淺層地震、高密度電法、TEM等都在采空區探測中發揮著重要作用。但在井下掘進巷道中對上層煤采空區進行探測，在國內外還比較少見，本文以加拿大產PROTEM47礦用瞬變電磁儀為例，在掘進巷道中對上層煤采空區進行探測研究，以尋求新的解決煤礦安全開采的有效探測手段。

PROTEM礦井瞬變電磁儀由于儀器設備輕便、工作效率較高、方向性好、探測精度高，應用越來越廣，不僅能夠在井下對富水性進行探測，而且能對采空區、斷層等構造進行探測，成為地球物理探測方法中應用前途最好的方法之一。瞬變電磁法能對工作面全空間多個角度探測形成視電阻率斷面圖，對煤層頂底板不同深度進行高精度的數據解釋，解釋結果立體直觀，一目了然。本文以山西某煤礦總回風巷頂板老空區的探測研究為例，對瞬變電磁法井下探測的應用進行拓展研究。

1 工作面概況和地球物理特征

礦區批準開采9、10、11號煤層，9+10煤總回風巷位于井田中西部。本次井下物探施工位置主要位于9+10煤總回風巷掘進頭位置，開采標高約為970～980 m，巷道寬度約為4.2 m，巷道高度約為2.8 m，傾角約為7°～8°，距離后方10104回風順槽大約40 m。沿著9+10煤總回風巷掘進方向左側約35 m處為9+10煤集中軌道巷，左側約80 m處為9+10煤集中運輸巷;沿著9+10煤總回風巷掘進方向右側為10104回風順槽。9+10煤上距2號煤層平均約為82.5 m，上距 3 號煤層間距 73.05 ～74.36 m，平均73.85 m 左右，煤層厚度 6.93 ～9.67 m，平均 8.13 m，總回風巷附近煤厚平均約為6.58 m，結構復雜，含2～7層夾石，層位穩定，厚度變化不大，頂板為石灰巖，厚度約為6～8 m，底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，為穩定可采煤層。

煤層賦存于成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區，當殘留巷道或覆巖冒落裂隙帶中未充水或少量充水，采空區將表現為高電阻率異常特征，一般要比正常巖層的電阻率高3～5倍，可達幾百上千Ω·m;而當采空區完全充水后，水體不僅充填了老塘，而且也充填了冒落裂隙帶，因而在巖體破壞區，其電阻率又明顯降低，呈現低電阻率異常特征。通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態和含水狀況，這也是本次電磁法探測采空區的物理前提。

2 礦井瞬變電磁法原理與工作方法

2.1 工作原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法［1］。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。礦井瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法一樣，采用儀器和測量數據的各種裝置形式和時間窗口也基本相同。受礦井瞬變電磁法勘探環境的限制，測量線圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于150 m。地面瞬變電磁法為半空間瞬變響應，這種瞬變響應來自于地表以下半空間地層;而礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種瞬變響應是來自于回線平面上下(或兩側)地層。

2.2 工作方法

本次探測采用的儀器為加拿大PROTEM－47型瞬變電磁儀，該儀器具有抗干擾、輕便、自動化程度高等特點。數據采集由微機控制，自動記錄和存儲，與微機連接可實現數據回放。本次礦井瞬變電磁法探測采用專門用于井下的多匝矩形發射線框，邊長為2 m×2 m。采用偶極裝置進行探測，發射線框和接收線框是2個獨立的線框，探測時中間間隔一定距離。探測測點布置在工作面總回風巷掘進頭位置。將線圈平面以任意方向、每個方向以任意角度放置于巷道中進行測量，探測線圈平面法線方向一定深度內采空區的垂向和橫向發育規律，若發射線框和接收線框水平放置于巷道，則探測巷道正上方頂板或正下方底板一定范圍的電阻率分布;若發射線框和接收線框傾斜放置于巷道，則探測工作面上方頂板或下方底板一定范圍的電阻率分布，根據電阻率分布情況推斷頂板或底板采空區情況。

3 礦井瞬變電磁法探測實施方案

超前探是在總回風巷掘進頭的位置(距離后方10104回風順槽約40 m)進行，在掘進頭布置4個不同方向(0°、－45°、－90°和水平旋轉方向)的測點，前3個不同方向平面示意圖見圖1，每個方向測點按照13 個不同角度(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、－ 15°、－30°、－45°、－ 60°、－75°、－90°)進行，其中 0°測點、－90°測點和水平旋轉方向測點示意圖分別見圖2，圖3，圖4。

4 資料處理與解釋

4.1 資料處理

井下采集的數據在室內首先將儀器數據傳送到微機中進行預處理，即檢查數據質量，剔除不合格數據，對測點進行編錄，整理成專用數據處理軟件所需要的數據格式。處理中用了TEM軟件處理，通過surfer和autocad的作圖功能，得到各測線的視電阻率剖面圖。

瞬變電磁法觀測到的數據是各測點各個時窗的瞬變感應電壓，同一個測點不同時窗的感應電壓不僅與某個深度的地層電阻率具有一定的相關性，而且和該深度上覆地層電阻率相關。瞬變電磁數據處理的目的是：

1)二次場歸一化感應電壓由于信號小，容易受各種人文電磁干擾，去除非地層電性產生的感應電壓是瞬變電磁處理的首要目標。采用了直接的畸變剔除和非線性濾波兩種方式。

2)盡管感應電壓高對應電阻率低，但不同時間的瞬變電磁二次常感應電壓跨越了5、6個數量級(甚至更大)，而且不直觀。將歸一化瞬變感應電壓換算成視電阻率、視縱向電導、視深度等直觀參數是瞬變電磁數據處理不可缺少的，也是最基礎的工作，它符合深度多少米電阻率多少的常規解釋要求。

4.2 解釋原則

根據掌握的本區地質與地球物理資料，結合實測電阻率分布特點，把巖層完整性及含水程度與電阻率的一般對應關系分為3個級別：

1)推斷含水巖層：對應的電阻率小于40Ω·m。

2)推斷弱含水的實體巖層：對應的電阻率小于200Ω·m或者范圍較大，對應電阻率介于40～200 Ω·m。

3)推斷不含水的破碎巖層或采空區、巷道：對應電阻率大于200Ω·m。

4.3 資料解釋

經過反演處理以后，形成各測線的反演電阻率成像剖面數據文件和平面文件，以總回風巷0°方向超前探測電阻率剖面圖為例，對照該圖對掘進頭前方地質情況進行解釋。

圖5 0°方向測點正前方超前探電阻率剖面圖

0°方向測點上方電阻率剖面圖見圖5，該剖面圖坐標原點為總回風巷掘進頭，其中橫坐標為總回風大巷掘進頭沿0°水平方向，其中正值為0°方向前方，負值為沿0°方向后方，縱坐標為總回風大巷掘進頭垂直頂板方向。圖上所標角度為該方向測點不同探測角度，其中又分為前上方和后上方不同方向。沿不同探測角度的有效探測深度為80 m，80 m以外采集數據不可靠，解釋結果僅供參考。

在有效探測范圍80 m之內存在3處高阻異常和1處低阻異常，3處高阻異常和1處低阻異常幅度不明顯，結合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標方向0～80 m、縱坐標方向0～60 m和極坐標后上方30°～前上方45°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產生較弱高阻異常，為高阻異常體1，推斷該位置是由于高阻巖層、構造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標方向－20～0 m、縱坐標方向20～60 m和極坐標后上方60°～上方90°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產生較弱高阻異常，為高阻異常體2，推斷該位置是由于高阻巖層、構造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標方向60～80 m、縱坐標方向0～20 m和極坐標正前方0°～前上方15°之間位置，局部視電阻率值在200Ω·m附近，產生較弱高阻異常，為高阻異常體3，推斷該位置是由于高阻巖層、構造或電力干擾引起;在該剖面橫坐標方向－40～－20 m、縱坐標方向0～40 m和極坐標后方0°～后上方60°之間位置，視電阻率值小于40Ω·m，產生較弱低阻異常，為低阻異常體1，推斷該位置是由于前方底板低阻巖層干擾、前方底板弱含水體干擾或電力干擾引起。

在有效探測范圍80 m之外存在2處高阻異常，異常幅度較明顯。結合該工作面的開采資料和視電阻率等值線梯度變化特征，在該剖面橫坐標方向－100～－50 m、縱坐標方向0～80 m和極坐標后上方0°～前上方45°之間位置存在局部高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體4，推斷該位置是由于采空異常、構造異常、高阻巖層或由于電力產生干擾影響引起的;在該剖面橫坐標方向－90～40 m、縱坐標方向80～140 m和極坐標后上方45°～前上方75°之間位置存在大范圍高阻異常，視電阻率值大于200Ω·m，為高阻異常體5，結合老空區分布層位，推斷該位置是由于采空引起，為采空異常區域。

5 結語

結合在山西部分煤礦的探測經驗和礦井瞬變電磁法的特點，為了在巷道掘進過程中實現更全方位的超前預測預報，實現巷道的安全掘進，提出以下建議：

1)本文僅以巷道掘進頭頂板采空區探測為例，表明了礦井瞬變電磁法探測巷道頂板效果明顯，在其他實際應用過程中，礦井瞬變電磁法對巷道掘進頭底板以及側幫都取得了非常明顯的效果。該方法拓展了傳統礦井物探方法的探測范圍，實現了礦井全方位的超前探測。

2)礦井瞬變電磁法采用發射線框(邊長2 m×2 m)和接收線框分別為匝數不等的2個獨立回線，采用中心回線裝置，與異常體產生最佳耦合響應，提高信噪比，有利于異常的識別。該裝置與其它礦井物探方法相比，具有輕便、快速、探測深度大和對異常體反映靈敏等特點。

3)礦井瞬變電磁法采用不接地回線，可以實現多角度立體探測，這是高密度電法所不能實現的。

4)礦井瞬變電磁法數據處理過程中采用最新的切片技術，不僅可以反演形成剖面圖，還可以形成不同探測角度的順層切片圖，可以實現多角度立體探測。

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Application on Transient Electric Magnetic Method in Roof Goaf Detection of Coal Mine

Zhao Wen－shu，Wang Jun－qi，Mu Yi

The article takes advanced detection of the roof upper coal goaf in the tunnelling end as example，by adopting advanced detection technology of transient electric magnetic method of coal mine，carrying out the advanced detecting data collect in the tunnelling end，data handling，inverse calculation and etc.，forms the apparent resistivity section chart of the tunnelling end roof，explains the range and location characteristic of the upper coal goaf in the tunnelling end.The advancing detection method open up range of the advancing detecting，has built a set of the technology method of being suitable to the all－direction advancing probing in mining and digging process of coal mine.Result is indicated that transient electric magnetic method of coal mine has open up the tradition detecting range of geophysical prospecting in coal mine，has realized the all－ direction advanced detecting，not only the front，but also the roof，the floor and the side have better probing effect.Transient electric magnetic method of coal mine has not only inverse calculation to sectional drawing，also can form tier section pictures of the different probing angle，realize multiangle stereoscopic detecting.

Transient electric magnetic method of coal mine;PROTEM transient electromagnetic instrument;Advanced detection;Goaf geophysical prospecting;The section

TD163

A

1672－0652(2012)07－0030－04

2012－06－20

趙文曙(1972—)，男，山西長治人，1995年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事礦井技術管理及地質測量工作(E －mail)1369292240@qq.com