礦井瞬變電磁法在探測煤礦頂板富水性中的應用

宋林君　翟培合

摘 要：介紹了礦井瞬變電磁法的基本原理和該方法在探測煤礦巷道頂板富水性中的原理、技術、方法和應用，并通過實例應用驗證了礦井瞬變電磁法在煤礦頂板富水性探查中的有效性，為井下瞬變電磁法勘探工作提供了實例參考。

關鍵詞：礦井瞬變電磁法；頂板；富水性

前言

煤炭是我國的主體能源，在國民經濟中有著重要戰略地位。煤礦水害是礦山生產建設中的主要災害之一，礦井水害時有發生，造成的經濟損失和人員傷亡極為慘重。礦井瞬變電磁法勘探和其他物探方法比較有著成本較低、工作效率高、橫縱向分辨率高、能穿透高阻覆蓋層和對低阻反應靈敏的優勢。

1 瞬變電磁法探測技術原理

1.1 地面瞬變電磁法

瞬變電磁法（Time domain Electromagnetic Method，簡稱TEM）是利用電磁感應進行探測的時間域電磁法，遵循電磁感應原理。導電介質在階躍變化的電磁場激發下而產生渦流場效應，即利用一個不接地的回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場（習慣上成為“一次場”），大地或探測目標體在激發場的作用下，其內部會產生感生渦流，利用專門儀器觀測這種渦流產生的電磁場（稱為“二次場”）的強弱、空間分布特性和時間特性，根據二次場的信息分析得到相關的水文地質信息[1]。

1.2 礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法是由地面瞬變電磁法發展演變而來，屬于全空間效應的勘探方法，其理論依據、井下施工技術以及資料處理與解釋方法與地面有著本質區別[2]。礦井瞬變電磁法是在井下巷道內進行，瞬變電磁場呈全空間分布，瞬變響應來自于回線上下兩個半空間，視電阻率為全空間巖層電性特征的綜合響應，全空間效應是礦井瞬變電磁法固有的問題[3]。

煤層一般為電磁波易于通過的高阻介質，所以TEM所接收到的煤層電磁信號不會受到像對直流電場那樣的屏蔽限制，接收線圈接收到的電磁信號是周圍全空間巖石電性的綜合反映。在判定異常體空間位置時，根據線圈平面的法線方向結合地質資料來綜合分析確定。

1.3 礦井瞬變電磁法頂板探測技術

利用礦井瞬變電磁法來探測井下煤層頂板的含水情況，與其它一些礦井物探方法比較，具有指向性強、施工空間小、速度快、橫向分辨率高、基本不耽誤工作面其他施工等優點。礦井瞬變電磁法在井下巷道內施工，測點間距選取在兩米到二十米之間。根據多匝小線框發射電磁場的方向性，可認為線框平面法線方向即為瞬變電磁法的探測方向。因而，將發射接收線框平面對準煤層頂板方向進行探測，就可反映煤層頂板巖層內部的地質異常。

2 礦井瞬變電磁工作方法

探測儀器采用澳大利亞Monash GeoScope公司專業瞬變電磁探測儀terraTEM。軌道順槽、運輸順槽各布置物理測點92個，點距10m，數據點920個，測線長度1820m。根據井下實際情況，結合其他礦井探測經驗，確定本次探測裝置及參數具體設置如下：工作裝置選擇：重疊回線；收、發射裝置回線尺寸：2×2m；發射裝置回線匝數：40；接收裝置匝數：60；采樣時窗：1～34；疊加次數：32；時間序列：標準時間序列；采樣延遲：0？滋s；增益：自動增益。

3 礦井瞬變電磁數據處理與解釋

礦井瞬變電磁法接收回線測量的是二次感應場隨時間變化規律，通過換算得到的是巷道附近導電介質的視電阻率隨時間變化曲線，很難與導電介質的具體分布范圍和深度直接對比，必須進行時深轉換。礦井瞬變電磁資料解釋堅持“水文地質研究與物探資料解釋相結合，定性解釋與定量解釋相結合”的基本原則，采用綜合處理與解譯技術，減少多解性，提高解釋可靠性。

綜合分析兩條巷道頂板三個方向視電阻率等值線斷面圖，選取每個探測方向的低阻異常劃分閾值。由于巷道內支護情況不同，頂板30°、60°、90°三個探測方向距離巷道內鐵軌、皮帶架等背景干擾體的距離不同，所選取閾值并不統一。根據低阻選取閾值，對兩條巷道內三個探測方向所得視電阻率等值線斷面圖進行分析，劃分相對低阻異常區。

劃分結果如下：

根據頂板30°、60°、90°三個探測方向的等值線斷面圖得出，頂板共劃分相對富水異常區五處：

（1）I號相對富水異常區位于距切眼0～100m范圍內（以切眼為0點，下同），偏軌道順槽一側，包括G1-1、G2-1、G3-1、Y1-1、Y2-1、Y3-1六處相對低阻異常區。該區域范圍中等，低阻強度相對中等，在兩條巷道內三個探測方向上均有低阻反應。該區域內有單體影響，但不排除富水的可能性，富水性評價為中等。

（2）II號相對富水異常區位于距切眼170～300m范圍內，包括G2-2、Y1-2、Y1-3、Y2-2、Y2-3、Y3-3六處相對低阻異常區。該區域范圍較小，低阻強度相對較弱，在軌道順槽內頂板60°探測方向上有低阻反應，在運輸順槽內3個探測方向上均有低阻反應，富水性評價為弱。

（3）III號相對富水異常區位于距切眼360～530m范圍內，偏運輸順槽一側，包括G1-2、G1-3、Y1-4、Y2-4、Y2-5、Y3-4六處相對低阻異常區。該區域范圍中等，低阻強度相對中等，在軌道順槽內頂板30°探測方向上有低阻反應，在運輸順槽內三個探測方向上均有低阻反應。另外該區域內有金屬體影響，外幫有巷道，但不排除富水的可能性，富水性評價為中等。

（4）IV號相對富水異常區位于距切眼600～760m范圍內，位于運輸順槽一側，包括Y1-5、Y1-6、Y2-6、Y2-4四處相對低阻異常區。該區域范圍中等，低阻強度相對較弱，在運輸順槽內頂板30°、60°探測方向上有低阻反應，富水性評價為弱。

（5）V號相對富水異常區位于距切眼800～910m范圍內，位于軌道順槽一側，包括G1-5、G2-3、G3-3三處相對低阻異常區。該區域范圍中等，低阻強度相對中等，在軌道順槽內三個探測方向上均有低阻反應，富水性評價為中等。

4 結束語

實踐表明，礦井瞬變電磁法勘探對低阻反映靈敏，在探測煤層頂板富水性中有其優越性，且數據較為精確可信度高，是其他物探方法所無法比擬的。近年來在井下水害防治工作中得到了較好的應用。井下環境的復雜性、特殊性使得礦井物探多解性更加明顯，在應用瞬變電磁資料的過程中，需要結合相關的地質水文資料綜合運用；井下物探所獲取的資料是地層、構造及賦存水體在靜態下的反映，在井下采掘施工的影響下，地層應力會發生改變，會導致地質水文情況會產生不同程度的變化，使得富水區在不同時期存在不同的階段特性，應該辯證地看待。

參考文獻

[1]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.

[2]于景 .礦井瞬變電磁法勘探[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[3]李富.礦井瞬變電磁法在煤礦陷落區探測中的應用[J].煤礦安全，2013（4）：155-157.

作者簡介：宋林君（1989-），男，山東威海人，山東科技大學碩士研究生，研究方向為綜合地球物理勘探。