瞬變電磁在內蒙古鄂爾多斯中稅煤礦掘進工作面中的應用

李強++董蘇蘇++王傳盈

摘 要：中稅煤礦在9煤掘進過程中受頂、底板砂巖水影響，因此對生產影響極大，給礦井帶來巨大經濟損失。本文闡述了瞬變電磁技術在該礦9煤聯絡巷掘進工作面中的應用與研究，對今后運用此技術在超前探測巷道前方富水性有著重要的作用。

關鍵詞：瞬變電磁；掘進工作面；電磁

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.162

內蒙古鄂爾多斯煤炭有限責任公司中稅煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克旗境內，行政區劃隸屬于鄂托克旗阿爾巴斯蘇木。井田為一不規則的形狀，東西最長5.04km，南北最寬2.66km，面積約7.1028km2。井田內主要可采煤層為9號煤、16號煤，底板標高+700m～+1140m，埋深250m～670m。2006年開發投資建井，2009年開始試生產，2010年正式投產。礦井設計生產能力90萬t/a。開拓方式為礦井采用斜-立混合式開拓方式，主副井為斜井，風井為立井。采煤方法為綜采傾斜長壁后退式采煤方法回采，全部垮落管理頂板；掘進方式為綜合機械化掘進。通風方式為中央分區式，通風方法為抽出式。

1 9煤聯絡掘進工作面概況

9煤聯絡巷位于井田南部2采區，煤層為二疊系下統山西組9#煤層，平均厚度3.16m，局部含夾矸，為結構簡單、穩定的中厚煤層。頂板為深灰色粉砂巖，節理發育，強度較低，特別斷層處易冒落。底板為灰黑色砂質泥巖，泥質膠結，強度較低。巷道前方距F8斷層40m，F8斷層落差0～60m，傾角60～80?，為地面三維地震及井下瞬變電磁確定。

煤層平均厚度3.16m，局部含夾矸，為結構簡單、穩定的中厚煤層。老頂為灰白色粗砂巖，分選差，次圓～次棱角狀，含少量暗色礦物黃鐵礦結核，下部裂隙較發育，具劈理，泥質膠結，強度較高。直接頂深灰色粉砂巖，節理發育，強度較低，特別斷層處易冒落。直接底灰黑色砂質泥巖，泥質膠結，強度較低。老底為灰黑色砂質泥巖，破碎，具劈理、滑面，含炭屑，泥質膠結，強度較低。

2 瞬變電磁基本原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡（衰減）過程。

該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向四周傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V（t），就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內部將產生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發現導體的存在。瞬變電磁場在大地中主要以“煙圈”擴散形式傳播。

在這一過程中，電磁能量直接在導電 介質中傳播而消耗，由于趨膚效應，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大。

傳播深度：（1） 傳播速度： （2）

-為傳播時間，-為介質電導率 -為真空中的磁導率。

根據理論分析，瞬變電磁探測深度與發送磁矩覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關。

由（2）式得：

（3）

時間與表層電阻率，發送磁矩之間的關系為：

（4）

其中：M-為發送磁矩，-為表層電阻率，-為最小可分辨電壓，它的大小與目標層幾何參數和物理參數，還和觀測時間段有關。

聯立（3）（4）式，可得：

（5）

上式為實際探測時用來計算最大探測深度公式。

為采用地質體本身物性參數—電阻率來直觀表達地質體的導電性情況，本系統采用晚期公式計算視電阻率：

（6）

式中。

3 探測施工

9煤聯絡巷共布置觀測方向9個，每個觀測點分布沿頂底板方向采集7個方向數據，分別為頂板45°方向、頂板30°方向、頂板15°方向、巷道掘進正前方向、底板15°方向、底板30°方向、底板45°方向。

4 成果解釋

瞬變電磁結果解析本次瞬變電磁探測數據其處理主要流程為：文件轉換—數據分選—濾波顯示—視電阻率計算—深度反演—深度校正—斷面圖繪制—成圖。

1號異常區：圈定視電阻率異常區位于迎頭左前方24～100m的范圍內，視電阻率值異常，視電阻率值<20Ω·m。

5 鉆探驗證效果

實際鉆探成果與物探結果結合如圖2所示：

從圖2可看出T1、T2鉆孔水量分別為5m3/h，5m3/h。與物探異常區一致。因此9煤聯絡巷瞬變電磁探測準確率較高。

6 瞬變電磁在掘進中的應用價值

由于鉆探方法成本高、耗時長，且鉆探結果為一孔之見，探查范圍極為有限；此外，施工鉆孔易成為隱伏含水體進入巷道的人為通道，從而引發次生事故，故僅采用鉆探手段難以滿足實際生產的需要。而瞬變電磁因成本低、快速、探查范圍大、距離遠等優點，現已在井下探水中得到廣泛應用。根據9煤聯絡巷瞬變電磁探測中的實際應用，可以看出其準確率較高，因此在瞬變電磁在煤礦安全生產和社會經濟利益提高，都具有重要的意義。

作者簡介：李強（1980-），山東肥城人，從事礦井水害防治工作。endprint