瞬變電磁法在礦井水文勘察中的應(yīng)用

段陽(yáng)　張洋

【摘 要】井下瞬變電磁技術(shù)對(duì)低阻體反應(yīng)敏感，可探測(cè)礦井下含水構(gòu)造，以千秋煤礦為例，通過對(duì)地面水庫(kù)進(jìn)行勘查，分析評(píng)價(jià)勘查區(qū)的賦水情況，為該礦井的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】瞬變電磁法；水庫(kù)；電性低阻區(qū)

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁法，是利用不接地回線向地下發(fā)送脈沖式一次場(chǎng)，用線圈觀測(cè)由該脈沖磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)（純異常場(chǎng)）的空間和時(shí)間分布，達(dá)到在時(shí)間上由先到后、深度上由淺（近）及深（遠(yuǎn)）的探測(cè)目的。

1 勘探區(qū)概況

山韭溝水庫(kù)位于義馬市千秋煤礦一水平回風(fēng)大巷北側(cè)，臨近三號(hào)進(jìn)風(fēng)井，對(duì)應(yīng)山韭溝煤礦采空區(qū)，直線距離為180m。由于礦井一水平煤層已采完，二水平正在開采，生產(chǎn)區(qū)的地表都有不同程度的緩慢下降，造成很多塌陷坑，巖石垮落造成裂縫與地表溝通，通過雨季降雨補(bǔ)給，水庫(kù)水位漫過堤岸，易通過山韭溝煤礦采空區(qū)滲入千秋煤礦一水平，對(duì)千秋煤礦的一水平大巷、姚二地區(qū)及姚三地區(qū)造成水害威脅。

水庫(kù)面積為30000m2，積水量約150000m3，水面標(biāo)高+510m。受水害威脅的礦井一水平大巷標(biāo)高+320，礦區(qū)地表覆蓋基本為第四系黃土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。歷年各月平均降水量7月份最大，為164.9mm；7、8、9三個(gè)月降水量占全年降水量的54.8%。日最大降水量為138.1mm（1982年7月30日），歷年最大連續(xù)降水日數(shù)12天，降水量達(dá)132.1mm，最長(zhǎng)連續(xù)無降水日數(shù)79天。因地表黃土層較厚，雨水易被吸收，但遇到洪水時(shí)易形成泥石流、滑坡等事故。

為確保該水庫(kù)對(duì)千秋煤礦一水平地區(qū)不造成水害威脅，或出現(xiàn)水害威脅不造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)受到損失。特在千秋煤礦井下對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行瞬變電磁勘探，利用瞬變電磁法探查礦井一水平+320大巷與山韭溝水庫(kù)之間的巖層富水情況，為礦井的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

2 勘探區(qū)水文地質(zhì)條件

依據(jù)地層與組成巖石的給水性、 透水性特征及地下水的賦存條件，由下至上分為三疊系延長(zhǎng)群隔水層、侏羅系中統(tǒng)義馬組底礫巖孔隙～裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)義馬組二煤頂板泥巖隔水層、侏羅系中統(tǒng)馬凹組礫巖孔隙～裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)馬凹組粉砂巖隔水層、侏羅系上統(tǒng)巨厚礫巖孔隙～裂隙潛水～承壓含水層、第三系泥灰?guī)r，礫巖巖溶孔隙～裂隙潛水～承壓含水層、第四系隔水層和第四系底部礫卵石層孔隙潛水含水層。

山韭溝水庫(kù)地區(qū)的地表覆蓋基本為第四系黃土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。2016年3月份對(duì)該水庫(kù)巡查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)南側(cè)5m有一小煤窯井筒（130m），封填不實(shí)（4月2日已進(jìn)行封填）且存在水力聯(lián)系，5月1日再次對(duì)該水庫(kù)水位觀測(cè)時(shí)，水面下降為1.25m，判斷通過小煤窯井筒滲入水量約11000m3。

在山韭溝水庫(kù)和一水平回風(fēng)大巷之間有兩個(gè)斷層，斷層產(chǎn)狀分別為：157°∠45°-70° h=2.2，走向近南北，走向長(zhǎng)度230m；216°∠47°-72°H=1.5，走向近南北，走向長(zhǎng)度100m。山韭溝水庫(kù)積水滲入井下后，可能通過斷層裂隙進(jìn)入一水平回風(fēng)大巷和一水平軌道大巷。

3 瞬變電磁法的應(yīng)用

礦井瞬變電磁法勘探技術(shù)是以地面瞬變電磁法勘探的基本原理為理論依據(jù)，并在其基礎(chǔ)上經(jīng)過發(fā)展演化而來的，所不同的是，礦井瞬變電磁法需要在井下巷道內(nèi)有限的空間中進(jìn)行施工，瞬變電磁場(chǎng)的響應(yīng)在線圈平面的上下2個(gè)空間布置。

3.1 工作原理

在發(fā)射線圈上供一個(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（衰減）過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)信號(hào)，由接收線圈接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)，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，從而發(fā)現(xiàn)良導(dǎo)體的存在。

3.2 設(shè)備及工作方法

井下瞬變電磁勘探系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射線框、接收線框、同步線、外接電源等幾部分組成。其中探測(cè)環(huán)境條件要求：（1）探測(cè)范圍內(nèi)不能有大型金屬，以免對(duì)電磁信號(hào)的接受造成影響。（2）探測(cè)巷道要滿足線圈布置需要。（3）工作場(chǎng)所及附近地區(qū)要停電，電纜及金屬管路不能橫穿發(fā)射及接收線圈，做大限度地減少各種干擾信號(hào)。

2016年4月18日，對(duì)礦井北部地區(qū)的山韭溝水庫(kù)井下對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行了瞬變電磁勘探，勘探地點(diǎn)位于礦井一水平+320大巷的巷道中，共設(shè)計(jì)2條測(cè)線，即一水平+320大巷北側(cè)幫順層測(cè)線、北側(cè)幫30°仰探測(cè)線；三號(hào)進(jìn)風(fēng)井東側(cè)幫順層測(cè)線、東側(cè)幫30°仰探測(cè)線。2條測(cè)線長(zhǎng)度均為1400m，各設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)140個(gè)。利用一個(gè)不接地的回線，向山韭溝水庫(kù)方向發(fā)射脈沖電磁波做為激發(fā)場(chǎng)源（習(xí)慣上稱為“一次場(chǎng)”），根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，脈沖電磁波結(jié)束以后，大地或探測(cè)目標(biāo)體在激發(fā)場(chǎng)（即“一次場(chǎng)”）的作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感生的渦流，這種渦流有空間特性和時(shí)間特性。利用專門儀器觀測(cè)這種渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)（稱為“二次場(chǎng)”）的強(qiáng)弱、空間分布特性和時(shí)間特性，推測(cè)解釋山韭溝水庫(kù)與巷道之間地層的幾何和物性特征。

4 主要解決問題

瞬變電磁法定向性好、對(duì)水敏感、控制范圍大，利用現(xiàn)有巷道對(duì)山韭溝水庫(kù)方向?qū)嵤﹤?cè)向探測(cè)，確定隱伏含水異常范圍及位置，為礦井防治水提供技術(shù)依據(jù)。鑒于積水區(qū)域的不規(guī)律性，通過側(cè)向探測(cè)可探明側(cè)方150-200m范圍內(nèi)的充水范圍及位置，減少和避免因條件不清造成的潰水事故。

千秋煤礦瞬變電磁勘探結(jié)果，如圖1所示：

圖1中顯示共發(fā)現(xiàn)4處電性低阻區(qū)，從東到西分別為1#、2#、3#和4#區(qū)。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)礦井的廢棄老巷、小煤窯的積水情況、采掘分布、井上下水樣分析等資料進(jìn)行分析，確定山韭溝水庫(kù)積水未對(duì)井下巷道造成水害威脅。

5 結(jié)語(yǔ)

作為一項(xiàng)新的井下探水技術(shù)，瞬變電磁法具有快速、簡(jiǎn)便、測(cè)距大、對(duì)水敏感、定向性好等優(yōu)勢(shì)，已成為礦井物探技術(shù)的重要手段，解決了礦井不明水害威脅影響生產(chǎn)的問題，增強(qiáng)了探測(cè)的準(zhǔn)確性。

初步應(yīng)用表明，該方法在探測(cè)隱伏水害威脅方面效果明顯。采取有效措施進(jìn)一步提高探測(cè)距離、解釋精度及不含水構(gòu)造范圍圈定等，是礦井防治水的主要研究應(yīng)用方向。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]