YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的物探原理及其井下應用

摘要：文章分析了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的工作原理，介紹了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀探測礦坑采掘工作面的使用方法及其適用范圍，能準確有效地探測到適用區域內的異常區，為工作面設計提供了翔實的地質資料。可以肯定，運用YCS40礦用本安型瞬變電磁儀進行井下物探，是一種非常便捷、有效的技術手段。

關鍵詞：瞬變電磁儀；探測方法；工作面探測

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0051-02

煤礦井下生產中，準確、快速地摸清采掘工作面區域內的各種構造，合理進行采掘設計，就可以避開采掘工作面內部構造及采空積水區對生產的不利影響，提高生產效率。山西煤炭運銷集團大通煤業有限公司是典型的兼并重組整合礦井，井田內小礦破壞區多，采區積水區資料不詳細，影響礦井基建的順利進行，為保證礦井的基建進度，保障安全。必須加強礦井地質資料的收集管理，提高地質工作人員的素質，因此采用先進的探測設備，掌握詳細的地質資料，是礦井井巷工程開展的先決條件。

1 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀的應用原理及適用范圍

瞬變電磁法的激勵場源主要有兩種：一種是回線形式（或載流線圈）的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。下面以均勻大地的瞬變電磁響應為例，來討論回線形式磁偶源激發的瞬變電磁場，從而闡述瞬變電磁法測深的基本理論。

在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發射回線在回線中供以階躍脈沖電流：

在電流斷開之前（t<0時），發射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩定的磁場，在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化通過空氣和地下導電介質傳至回線周圍的大地中，并在大地中激發出感應電流以維持發射電流斷開之前存在的磁場，使空間的磁場不會即刻消失。

由于介質的歐姆損耗，這一感應電流將迅速衰減，由它產生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍的地下介質中感應出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續下去，直至大地的歐姆損耗將磁場能量消耗完畢為止。這便是大地中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

YCS40礦用本安型瞬變電磁儀主要是為了解決礦井中的水害問題，通過發射線圈向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用接收線圈測量地下介質引起的二次感應渦流磁場，從而達到探測介質電阻率的目的，最后分析得到數據并反演成圖解釋地質體含水情況。

瞬變電磁法對電阻率的靈敏度高、分辨率強，近些年來，許多礦井地質情況比較復雜，主要適用的探測對象有以下六種：

（1）回采工作面隱伏導水構造（陷落柱、封閉不嚴的鉆孔等）。

（2）頂板導水破裂帶、上層采空區等。

（3）底板巖溶含水層、巖溶陷落柱等。

（4）掘進頭隱伏導水構造、破碎帶及小窯邊界。

（5）采空區及廢棄的充水小窯突水。

（6）頂板垮塌或富集水的采空區。

2 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀透視探測方法

YCS40礦用本安型瞬變電磁儀屬于精密地質勘探儀器，接收和發射二合一線圈是儀器配套的部件，在現場施工時必須正確地安裝與使用，做到輕拿輕放，不得磕碰，避免劃傷，以免影響其性能或造成損壞。

工作之前必須認真檢查儀器是否能夠正常工作、儀器內部的電池電量是否充足、需要組件（發射/接收線圈等）是否配齊。接收和發射二合一線圈等部件每次用完需要清理干凈，并且整理放置好。

2.1 測量參數確定

測量深度h和供電電流I及線圈邊長b的關系，測量深度h和供電電流大小線圈連長有關。同供電電流的關系，一般電流增大32倍，測量深度只增加2倍，發射線圈邊長b，一般實際勘測深度h取同發射線圈邊長b和電流I有關。從經驗上勘探深度h≈3b。

經驗說明：（回線電流≥10A）勘探深度為回線邊長的3倍以上（經驗）?；鼐€邊長一般取100～400m，常用200m。

2.2 供電頻率的選擇

供電頻率的選擇一般和勘探深度及抑制50Hz工頻干擾有關。就50Hz工頻來說，一般選擇供電頻率應是50Hz的約數或是50Hz的倍數（指我國工業電多用50Hz）。常選用的頻率有2.5、6.25、25Hz三種。

2.3 供電方式的選擇

常用的一般選擇方式1，為雙極性占空比為1∶1方波，有利消除多種干擾。

2.4 線圈組合裝置的選擇及其克服干擾措施

常用的重疊回線裝、中心回線裝置、大定源回線裝置，為了克服強電磁干擾（天電干擾和人為干擾）及為減弱覆蓋層耦合，采用雙回線組合裝置（發射接收電纜

分開）。

3 YCS40礦用本安型瞬變電磁儀在大通煤業井下的實際應用

大通煤業井下二期輔助回風大巷開拓工程是我礦與劉家廟主風井貫通的重點工程，根據地質報告顯示，該巷道要穿越采空區，但具體的地質資料不詳細，為保證安全生產，我礦嚴格按照“物探先行，鉆探驗證”探放水原則，利用YCS40礦用本安型瞬變電磁儀進行超前探測，再利用鉆探的手段進行驗證，來查明采空積水區的情況。

由于受巷道迎頭空間的限制，礦井瞬變電磁法的發射和接收線圈的幾何尺寸受到一定的制約，只能采用多匝小回線的發射和接收裝置形式，即邊長為2～3m。測點布置在巷道迎頭空間位置，即從巷道迎頭左側開始，首先使發射、接收天線的法線垂直巷道左側面進行測量，然后旋轉天線，使天線的法線方向與巷道的左側分別成90°、75°、60°、45°、30°、15°的夾角進行探測；當天線的法線方向與巷道迎頭界面垂直時，根據其主迎頭斷面的寬度布置3個測點；到巷道迎頭右側時再旋轉天線，使法線方向與巷道右側分別成15°、30°、45°、60°、75°和90°的夾角進行探測。即在多個角度采集數據，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形測深技術。

在實際工作過程中對于每個發射點，也可調整天線的法線與巷道底板的夾角大小，以探測巷道頂板、順層和底板方向的圍巖變化情況。本次礦井瞬變電磁法探測測點布置在輔助回風大巷聯絡巷口+120M處迎頭及其左右兩側幫位置，測點布置為左幫開始為第一個測點，與迎頭左幫夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°；正前方順巷道掘進方向布置3個測點，右幫與左幫對稱，共15個測點。分別采用順煤層和向煤層頂、板兩個方向進行探測（斜向上45°、順層方向、斜向下45°方向）。

通過對比分析三個方向的視電阻率擬斷面圖，可以看出頂板方向迎頭右側90°-30°，縱坐標20M-40M范圍內；45°-30°，縱坐標40M-60M范圍內；順層方向90°-60°，縱坐標20M-40M范圍內；底板方向60°-15°，縱坐標20M-40M范圍內，均顯示相對低阻異常，可能為賦水裂隙發育。

我礦采用ZYJ-700/250型鉆機進行了鉆探，在巷道中偏左25°約71m處探出采空區，充分驗證了YCS40礦用本安型瞬變電磁儀在井下的有效使用。

4 結語

大通煤業目前正處于礦建階段，井巷工程處于二期工程，受兼并重組礦井限制，采空積水區資料不詳細，所以必須摸清掘進工作面地質情況才能合理地設計，保障基建任務的完成。YCS40礦用本安型瞬變電磁儀為大通煤業井巷工程提供了很好的技術保障，技術比較成熟，具有很高的推廣價值。

作者簡介：劉來旺（1975—），男，山西煤炭運銷集團大通煤業有限公司副總工程師，國家注冊安全工程師。

（責任編輯：周 瓊）