坑道掘進(jìn)瞬變電磁超前探水技術(shù)應(yīng)用分析

張平松 ，李永盛，胡雄武

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引 言

瞬變電磁法在坑道掘進(jìn)超前水害探測(cè)中發(fā)揮了重要作用，可主要解決諸如含水構(gòu)造、異常富水區(qū)等地質(zhì)問題。該方法近年來在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，并逐漸被應(yīng)用到各種地質(zhì)異常探查中。由于瞬變電磁法探查中布極范圍小，非接觸布極方式不受接地條件約束，探測(cè)距離長(zhǎng)，因此在地下空間有限的坑道中應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)。許多學(xué)者[1－12]對(duì)瞬變電磁法在礦井及坑道超前探測(cè)中的原理算法、方法技術(shù)、適用條件等內(nèi)容進(jìn)行了不同程度的研究。目前已在坑道瞬變電磁探測(cè)機(jī)制、數(shù)據(jù)采集、干擾因素控制、反演算法、結(jié)果成圖等方面取得了進(jìn)步，但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用角度來分析，其對(duì)數(shù)據(jù)干擾剔除、電阻率計(jì)算、深度校正、異常判定、地質(zhì)解釋、探水效果分析等方面仍存在不足。筆者改進(jìn)了瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法，完成四斷面數(shù)據(jù)采集與處理，通過縱、橫剖面對(duì)比，進(jìn)一步提高了對(duì)前方含水異常體的空間判斷能力。

2 四斷面測(cè)試工作技術(shù)方法

2.1 超前測(cè)試工作原理

瞬變電磁超前探測(cè)時(shí)向坑道工作面發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過渡過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況（見圖1）。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V(t)，就得到了二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線。如果沒有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，所觀測(cè)到的過渡過程衰變速度將變慢，從而判斷導(dǎo)體的存在[13－14]。

圖1 全空間瞬變電磁場(chǎng)電流擴(kuò)散示意圖Fig.1 Current spread of transient electromagnetic field in full space

瞬變電磁場(chǎng)在地層中主要以擴(kuò)散形式傳播，其中高頻部分主要集中在淺表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到坑道深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。根據(jù)采用的多匝小回線裝置視電阻率計(jì)算，目前大多沿用通用的早、晚期視電阻率換算公式，其中晚期視電阻率仍采用經(jīng)典的半空間均勻場(chǎng)晚期計(jì)算公式：

式中：ρτ為視電阻率；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；S為單匝發(fā)射回線面積（mm）；s為單匝接收回線面積（m2）；N和n分別為發(fā)射和接收線圈匝數(shù)；V和I分別為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）和電流（A），V/I為接收的歸一化二次感應(yīng)電場(chǎng)值；t為二次場(chǎng)衰減觀測(cè)時(shí)間（s）；C為近似系數(shù)，由井下全空間、線圈特性及圍巖電性共同決定，如果不考慮該系數(shù)，則實(shí)際計(jì)算出來的視電阻率值偏小。C值的具體取值可依據(jù)實(shí)際探測(cè)區(qū)域巖體真電阻率值，通過在探測(cè)區(qū)域的應(yīng)用驗(yàn)證對(duì)比來反復(fù)推求獲取，并作為經(jīng)驗(yàn)值使用。

計(jì)算某一測(cè)道深度時(shí)，設(shè)前一個(gè)測(cè)道的時(shí)間和計(jì)算深度分別為ti-1和hi-1，本測(cè)道的時(shí)間為ti，晚期電阻率為ρi，則本測(cè)道計(jì)算深度hi為

可得出測(cè)道的深度Hi為

式中：k為擴(kuò)散速度數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換系數(shù)，也需要根據(jù)不同測(cè)試條件、地質(zhì)條件等綜合選取。由此，可以獲得每一測(cè)點(diǎn)的超前測(cè)深視電阻率曲線，并可進(jìn)行一維測(cè)深反演[15]。

2.2 常用超前探測(cè)布置及結(jié)果表達(dá)

受坑道空間條件限制，瞬變電磁超前探測(cè)主要采用邊長(zhǎng) 2 m×2 m的多匝小線框同心回線布置方式，迎頭數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單。目前常用的觀測(cè)系統(tǒng)有U型和扇型兩種形式，也可為兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2(a)為常用的U型觀測(cè)系統(tǒng)布置，即以巷道迎頭立面中心為原點(diǎn)，沿巷道左幫、迎頭和右?guī)筒杉瘮?shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處觀測(cè)3個(gè)方向，分別為仰角45°頂板方向、水平順層方向和俯角45°底板方向。傳統(tǒng)處理時(shí)該數(shù)據(jù)常采用虛擬坐標(biāo)方式，將3個(gè)方向數(shù)據(jù)依次排放，形成左幫、順層、右?guī)偷慕y(tǒng)一電阻率剖面，其重點(diǎn)是關(guān)注中間順層數(shù)據(jù)，兩幫數(shù)據(jù)由于測(cè)試影響條件不同，僅起到電性參數(shù)對(duì)比作用，其橫坐標(biāo)不代表巷道斷面寬度。

圖2(b)為全方位觀測(cè)系統(tǒng)，是U型和扇形兩種結(jié)合，采集方向包括左、右?guī)图坝^全方位。其數(shù)據(jù)采集量大，便于對(duì)巷道迎頭空間進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，獲得全面的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。其中4～15號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)即為扇形觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)試范圍，所關(guān)注的是迎頭寬角度范圍地質(zhì)條件，測(cè)試時(shí)線框平面與測(cè)試介質(zhì)之間空間變化會(huì)引起感應(yīng)電磁場(chǎng)差異，對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定影響。圖2(c)為數(shù)據(jù)結(jié)果成圖方式，該數(shù)據(jù)是以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試方向不同將每一方向數(shù)據(jù)測(cè)深按空間坐標(biāo)位置放置，形成統(tǒng)一的等值線圖，坐標(biāo)系中為真實(shí)的測(cè)深距離關(guān)系，便于進(jìn)行地質(zhì)解釋。統(tǒng)一坐標(biāo)成圖時(shí)需根據(jù)兩幫支護(hù)條件不同進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，且坑道轉(zhuǎn)角部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)稀少，易插值出阻值異常區(qū)，解釋時(shí)應(yīng)加以分辨。

圖2 不同觀測(cè)系統(tǒng)布置及其結(jié)果圖Fig.2 Layout of different observing system layouts and their results

2.3 四斷面法超前探測(cè)布置

瞬變電磁超前常規(guī)布置中測(cè)試范圍較大，易受四周環(huán)境干擾，獲得的數(shù)據(jù)有奇異，且3個(gè)斷面很難對(duì)前方含水異常體空間范圍進(jìn)行判斷，不利于防治水技術(shù)措施制定。通過改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)，增加坑道中心線位置測(cè)線，調(diào)整線框沿巷道頂板至底板方向逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，可獲得沿坑道中心的縱向垂直扇形剖面。這樣以坑道中心線迎頭數(shù)據(jù)為主線，降低兩幫金屬物體干擾，減小測(cè)試條件差異產(chǎn)生的影響程度，且能對(duì)異常體的空間范圍進(jìn)行判定，獲得迎頭全面的空間信息。

圖3為坑道豎直剖面數(shù)據(jù)采集布置圖，該布置將線框上仰45°后進(jìn)行測(cè)試，依次降低一定角度，直至測(cè)試至俯角45°左右止，獲得垂直扇形剖面。數(shù)據(jù)采集時(shí)盡量密集布控，大數(shù)據(jù)量利于進(jìn)行地質(zhì)解釋。圖4為整個(gè)4個(gè)斷面綜合的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖，其全空間特征顯著。常規(guī)的3個(gè)剖面可以對(duì)前方異常體水平位置進(jìn)行判識(shí)，而豎直剖面可以對(duì)前方異常縱向分布特征進(jìn)行控制。

圖3 豎直剖面測(cè)試布置圖Fig.3 Detecting layout of vertical section

圖4 四斷面法數(shù)據(jù)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of data points by four-section method

3 坑道超前探測(cè)應(yīng)用

3.1 探測(cè)地質(zhì)條件

淮北某礦為大水礦井，坑道掘進(jìn)中受水害威脅嚴(yán)重。其Ⅲ642工作面所采煤層為6煤，煤厚變化較大，平均厚度為3.5 m，局部受古河床沖刷變薄、尖滅。該工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要受煤層底板灰?guī)r水威脅和頂板砂巖水的影響。局部存在老空積水，其積水區(qū)范圍、積水量等情況不清，對(duì)風(fēng)巷施工影響大。因此，坑道掘進(jìn)時(shí)采取“先探后掘，邊探邊掘”的措施，現(xiàn)場(chǎng)采用瞬變電磁四斷面法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，為超前鉆探孔位確定及礦井防治水技術(shù)措施制定提供依據(jù)。

3.2 探測(cè)處理與分析

目前，國(guó)內(nèi)外用于坑道勘探的瞬變電磁儀器設(shè)備較少，現(xiàn)場(chǎng)采用國(guó)內(nèi)第一款本安型YCS40（A）礦井瞬變電磁儀及2 m×2 m多匝小線框進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。按四斷面測(cè)試要求，共完成仰角45°、順層、俯角45°及豎直4個(gè)剖面測(cè)試，有效測(cè)點(diǎn)數(shù)20個(gè)。

數(shù)據(jù)處理采用自編軟件進(jìn)行，其主要過程包括：不同方向數(shù)據(jù)拆分，坐標(biāo)系建立，數(shù)據(jù)預(yù)處理與校正，視電阻率計(jì)算與一維測(cè)深反演，圖文地質(zhì)資料綜合對(duì)照，電阻率異常定性與半定量地質(zhì)解釋，異常區(qū)域圈定。結(jié)合6煤層掘進(jìn)地質(zhì)條件選定相應(yīng)的視電阻率計(jì)算系數(shù)C和深度校正系數(shù)k。探測(cè)解釋時(shí)以順層平面為主，判斷掘進(jìn)前方相對(duì)低阻區(qū)；同時(shí)以仰角剖面判斷頂板方向、俯角剖面判斷底板方向，并以豎直剖面確定異常區(qū)具體位置。

圖5為2010年10月風(fēng)巷下段A4+66.2 m處超前探測(cè)4個(gè)斷面結(jié)果，其中圖5(a)～(c)分別為巷道前方頂板、順層和底板3個(gè)方向電磁測(cè)試結(jié)果剖面，圖 5(d)為巷道中心線處自頂板至底板巖層方向的豎直扇形剖面。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)煤巖體地質(zhì)特征及探測(cè)經(jīng)驗(yàn)將低于10 Ω·m的區(qū)域解釋為低阻異常區(qū)。探測(cè)控制距離為迎頭前方 10～100 m，即 A4+76～166，其中0～10 m為關(guān)斷時(shí)間及互感等產(chǎn)生的淺部盲區(qū)。測(cè)區(qū)內(nèi)電阻率值分布在0～60 Ω·m，高阻值分布普遍，僅在 A4+141～A4+166段頂板 10 m以上局部巖層低阻特征明顯（編號(hào)為 YC1），且底板剖面中低阻異常消失，而豎直剖面也反映其在頂板巖層中影響范圍不大。推斷測(cè)區(qū)內(nèi)巖層整體賦水性弱，低阻區(qū)為頂板砂巖裂隙含水表現(xiàn)。

3.3 探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

該風(fēng)巷上、下兩段共實(shí)施了5次連續(xù)超前探測(cè)，表1為探掘結(jié)果對(duì)比。圖6為圖5中探測(cè)對(duì)應(yīng)的垂直電阻率剖面實(shí)際驗(yàn)證對(duì)比圖，其在斷層位置處電性發(fā)生明顯變化，且由高阻向低阻過渡，在解釋的低阻異常區(qū)（YC1）處淋水現(xiàn)象嚴(yán)重。從表1可以看出，坑道掘進(jìn)所揭露的地質(zhì)異常與超前物探剖面中電性分布異常解釋的一致性較好，對(duì)安全生產(chǎn)發(fā)揮了指導(dǎo)作用。

圖5 四斷面法超前電性剖面 (單位: Ω·m)Fig.5 Resistivity results of four-section method ahead of tunnel (unit: Ω·m)

表1 連續(xù)超前探測(cè)探掘結(jié)果對(duì)比Table 1 Verifying comparison of forecast results by continuous detection ahead of tunnel

圖6 坑道掘進(jìn)結(jié)果驗(yàn)證Fig.6 Verification of forecast result according to tunneling

4 結(jié) 論

（1）瞬變電磁超前探測(cè)布置中扇形觀測(cè)系統(tǒng)相對(duì)合理，其結(jié)果表達(dá)兼顧全方位特點(diǎn)，數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)對(duì)迎頭前方空間異常響應(yīng)有利。

（2）四斷面法改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，形成橫、豎直不同位置的4個(gè)電性斷面，有利于對(duì)前方巖層含水空間特征的判斷與分析，其實(shí)用性強(qiáng)。

（3）煤層坑道連續(xù)探測(cè)實(shí)踐表明，測(cè)區(qū)煤層平均電阻率值較高，便于對(duì)低阻異常的識(shí)別。四斷面法在預(yù)報(bào)前方地質(zhì)異常體時(shí)，以低于10 Ω·m為低阻異常區(qū)判斷標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的可靠性。

（4）瞬變電磁超前探測(cè)中對(duì)前方異常體定量評(píng)價(jià)基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容少，現(xiàn)采用的相對(duì)低阻特征判斷巖層富水易產(chǎn)生誤判。應(yīng)綜合直流電法進(jìn)行聯(lián)合超前探測(cè)，研究多方法之間的聯(lián)合反演與解釋，進(jìn)一步提高超前勘探能力。

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