礦井瞬變電磁技術在地質探測中的應用

王濤

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024；2.山西省地球物理化學勘查院，山西運城044000）

礦井瞬變電磁技術在地質探測中的應用

王濤

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024；2.山西省地球物理化學勘查院，山西運城044000）

詳細介紹礦井瞬變電磁探測的條件與特點,闡述礦井瞬變電磁探測技術原理，論述礦井瞬變電磁法的施工方法,并進行實例分析。

礦井；瞬變電磁；地質探測；應用

引言

煤礦覆巖破壞參數一直是礦井預留防水煤柱的重要依據，它對改善煤炭資源回收率、保障礦井安全發揮了重大作用。為得到礦井覆巖資料，為礦井合理化布置提供安全保障和依據，在巷道施工前最好使用礦井瞬變電磁技術進行地質探測，最后為生產管理提供較好的參數。

1 礦井瞬變電磁探測的條件與特點

就物件巖性差異來看：通常從粉砂巖、泥巖、粗砂巖、中砂巖、礫巖再變成灰巖、煤巖，電阻率逐漸增加。灰巖、煤巖和其他巖層相比，屬于高電阻率的阻層，如果巖層含水，含水率增加時，電阻率就會降低，所以巖層電阻率變化除了與巖性自身有關，含水性也發揮了決定性作用。在灰巖等各種高阻地層中，地層含水更多的是低電阻率[1]。

受井下工作環境影響，地面瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法與其他礦井物探法有著本質區別，具體有以下特點：

受井下巷道施工區域影響，根本不可能使用地表測量中的大線圈進行，只得使用邊長低于3m的小線框。和地面瞬變電磁法進行比較，它具有成本低廉、工作效率高、設備輕便等優勢，可以用于其他難以進行施工的巷道。

因為使用小線圈進行測量，點距在2～20m間，橫向分辨更好，體積效應更低，外加測量裝置和目標相近，對異常的信號感應更強，所以擁有良好的探測力[2]。

礦井瞬變電磁法依然面臨著電磁分布問題，由于煤層一般為高阻，容易通過電磁波，在TEM中，煤層沒有隱蔽功能，所以TEM得到的信號是全空間巖石的綜合體現。但是可以通過電磁傳播方向、小線礦體等特點，在改變線框方向的同時，對空間位置與異常情況進行判別。

2 礦井瞬變電磁探測技術原理

瞬變電磁法屬于時間區域的電磁感應方法，探測原理是借助回線發送電流脈沖方波，沿著下降趨勢，產生回線磁場，根據磁場的激勵作用，產生一定的渦流，渦流的大小由地質體導電決定，一次消失之后，渦流不會馬上消失，而是呈現出過渡過程。在過渡期間，又會出現衰減的磁場不斷向掌子面傳遞，二次磁場由回線接收，二次磁場的轉變也說明了地質體分布狀態。如：結合不同的延遲時間，對二次感生電動勢進行測量，得到二次磁場隨時間變化的曲線。對于無良導體的情況，會立即得到衰減過渡；有良導體時，因為切斷電源，會產生難以維持的一次切斷，過渡衰減也會隨之稍緩，最后發現內部導體[3]。

在大地上，瞬變電磁場更多的是以擴散的方式傳播，由于電磁能量直接作用于導電介質而消耗。受趨膚效應影響，更多幾種高頻在地表，分布范圍則是局部，和低頻區域相比，逐漸擴充分布范圍。

3 礦井瞬變電磁法的施工方法

受巷道區域影響，裝置通常使用小回線進行，線圈的邊長在2～3m間，在增加線圈數的同時增加接受面積與磁距，進而滿足探測深度要求。線圈法線可以看成探測的方向，井下施工中，通過調整巷道頂、線圈、底板角度，改變法線指向，最終得到不同方向的地電方向（如圖1所示）。

圖1 礦井瞬變電磁測點布置和探測區域

在井下探測中，結合測量要求確立測距，根據要求對異常區段進行加密，發射線與接收線的數量不等，線框對準探測方向，然后再結合巷道與探測任務，對線框大小進行改變；或者結合探測深度，讓線框與瞬變電磁儀相接，最終實現數據自動記錄、收集與存儲。

在本次探測點距中，間距為0.5m，為了能從巷道內部探測工作面板富水區域，使用多匝線圈（如圖2所示）；接收線框與發射線框使用完全分離、匝數不等的獨立線框，方便和地下異常體進行耦合。測線通常設置在巷道迎頭。

圖2 礦井瞬變電磁探測方向

4 實例分析

4.1 實例概述

在工作布置上，風巷迎頭從A3點前方16m進行掘進，自迎頭著手瞬變電磁法探測。這種方式屬于非接觸探測，線圈方向就是探測方向，所以探測現場快捷便利，通過線圈接收與發射就能得到對應的數據。每0.3m會設置測點，對底板、順層與頂板進行測量，并且探查前方電性、右側迎頭情況，現場需要設置16點。探測現場時，對迎頭后方的鐵器、雜物進行清理，同時做好停電處理，以減小數據影響。從地質調查反饋的信息來看：迎道后方2.5m的區域應該設置少量滲水，3.5～8m處的迎頭頂板有淋水，從巷道右方到后方一直有鏈板機。

4.2 數據處理

瞬變電磁法的數據處理是把回線組合成不同時間能夠感應的電位函數，說明地下導電電性分布規律，然后再結合換算時間與電阻率曲線說明電性介質的位置深度，并且對不同時間內的導電介質進行說明，處理過程包含核心和預處理兩種情況，預處理是得到有效感應曲線的方式，核心處理會得到恰當的電阻率預測數據。礦井瞬變電磁法和地面瞬變電磁法一樣，電阻率定義和地面有很多相似的地方。礦井內部的多匝小回線路裝置中，大多使用的是晚期、早期的電阻率換算形式，晚期電阻率依然使用半空間晚期計算方式[4]。

數據處理和分析包含：三防數據拆分、建立坐標、數據預處理、計算電阻率、整理水文資料、確立電阻率等。把現場得到的瞬變電磁探測二次場衰減數據利用相關軟件處理成晚期視電阻率剖面，結合電阻率成像進行標識。其中高電阻率值為暖色調，低電阻率值為藍綠色，從冷向暖色調過渡。

在風巷瞬變電磁探測中，剖面分別是巷道頂板、順層與底板方向分布情況。就剖面可以得出本次探測電阻率的阻值較高，它在0-60范圍，根據測區地質特性與探測經驗，小于10區域被定義成低阻異常區。從瞬變電磁探測特性來看：一直存在10m盲區。

頂板視電阻率剖面：體現了頂板方向往巖體電性的變化，巷道迎頭的10～50m內明顯超過50～100m區域，并且巷道前邊有明顯的低阻異常帶。就頂板地質狀態來看：巷道頂端有較厚的砂巖，并且縫隙有發育的可能性，所以該低阻異常區域的富水性有明顯的提高，存在淋水的情況。

底板視電阻率剖面更多反映為傾向底板巖層與剩余煤層。說明10～70m范圍內的高阻分布相對較廣，同時在該范圍存在低阻值，沒有特別明顯的低阻異常區域。就地質環境來看：受煤層傾斜影響，勘探體積受煤層的影響很大，底部以砂質泥巖為主，所以推斷該領域的富水性不大[5]。

順層視電阻率剖面：它說明了前方迎頭的電性變化，說明頂板剖面與順層剖面相似，10～50m區域明顯大于50～100m范圍，順層剖面右方阻值相對較小。通過對地質環境的分析，可以得出兩處異常是由富水性與巖性造成。

5 結語

瞬變電磁能探測深度較大的區域，具有地質效果好、效率高、施工便利等特點，能適應礦井水文地質勘探工作。將瞬變電磁法應用到巷道超前探測中能很好地發揮作用，尤其是狹小迎頭空間與數據采集，并且不對巷道掘進構成影響。當然也應該看到瞬變電磁法的成熟應用，只有不斷探索研究，才能推進礦井水文地質工作發展。

[1]梁慶華.礦井全空間小線圈瞬變電磁探測技術及應用研究[D].長沙:中南大學,2012.

[2]高士銀.瞬變電磁技術在礦井超前地質探測中的應用[D].北京:中國地質大學,2012.

[3]李明星,程久龍,王玉和,等.礦井瞬變電磁超前探測地質異常三維可視化[J].煤礦安全,2011(11):61-64.

[4]劉耀寧.金屬干擾環境下礦井瞬變電磁技術應用效果研究[D].徐州:中國礦業大學,2014.

[5]黃曉容.礦井瞬變電磁法在水害超前探測中的應用[J].礦業安全與環保,2013(3):77-79;83.

（編輯：賈娟）

App lication of Transient Electromagnetic M ethod in Geological Exp loration

W ang Tao
(1.School of M ines of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Shanxi Province Geophysical and Geochem ical Exploration Institute,Yuncheng Shanxi033000)

This paper introduces themine transientelectromagnetic detection conditions and characteristics,expounds principle ofmine transient electromagnetic detection technology,discusses the construction method,mine transient electromagnetic method and instance analysis.

coalmine;transientelectromagneticmethod;geological exploration;application

P631

A

2095-0748(2016)16-0060-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.26

2016-07-05

王濤（1984—），男，山西運城人，畢業于燕山大學自動化專業，助理工程師，現就職于山西省地球物理化學勘查院綜合物探公司，主要從事地球物理勘探工作。