井下瞬變電磁法在回采工作面底板探測的應用

李杰+王康

摘 要：為查明回采工作面底板水文地質條件及富水情況，保證安全回采，采用PROTEM瞬變電磁儀對郁山23091工作面開展井下瞬變電磁全方位探測。數據提取并整理完善后，在BETEM中按順序經過多種校正、轉換和正、反演計算等，從而得到全空間視電阻率，取得良好的探測效果。實踐證明：瞬變電磁法是一種高效的水情水害探測手段，對低阻體探測反應靈敏、分辨率高，在實際應用中與水文地質資料充分結合，可以正確指導煤礦防治水工作。

關鍵詞：瞬變電磁；視電阻率；富水區段；低阻

瞬變電磁法是井下物探最常用的方法，其應用領域可用于解決煤礦各類水文地質問題，是煤礦水害隱患災害探測中的重要手段。具有無損、簡潔、分辨率高[1]，并且可以全空間探測等技術優勢[2]。近10年得到迅速發展。

瞬變電磁勘探法的控制范圍包括：俯探、內俯、外俯、斜上、斜下等，屬于三維立體探測，測距一般取20～100m（前20m一般為物探盲區）。探測范圍廣，含水異常定性準確，通過對巷道的內幫及外幫多角度空間探測，可查明工作面底板富水區域及外圍老窯水、含水構造等各類異常分布情況[3]。為確定水文孔位置，注漿改造劃分重點區域提供依據，并為檢驗注漿改造效果提供參考，服務于煤礦安全生產[4-5]。

1 瞬變電磁技術理論

瞬變電磁法的工作原理是利用發射回線向地下發射不同頻率的電磁脈沖，即穩定電流，該電流的下降沿產生變化的一次場并向周圍空間擴散。當穩定電流被突然切斷時，磁場迅速衰減。根據電磁感應定律，為阻止衰減，在地下介質中將產生二次場，即瞬變電磁場。該場隨著時間的延長，向下傳播并向周圍擴散。其傳播速度、擴散方式和強度依賴地下介質的電性結構特征[6]。

瞬變電磁場在地層介質中的擴散可以用“煙圈”概念加以形象化（見圖1）。在早期，感應電流主要分布在發射偶極子附近，隨著時間的增加，感應電流向下及向外擴散，感應電流的這種移動方式，叫做二次渦流場，有時稱為“煙圈”。渦流場表現與地下介質的電性有關。同類巖層相比，巖層較為完整時視電阻率值一般相對較高，引起的渦流場較弱；而巖層富水時視電阻率值相對較低，引起的渦流場較強，所以，通過觀測二次渦流場就可以掌握地下介質的視電阻率值分布情況。

在井下某測點觀測瞬變電磁場的傳播過程，就可以采集到一條瞬變電磁場曲線，經過后期數據處理和反演，便可獲取此測點地下的電阻率值等。見圖2

2 數據解譯

BETEM是為瞬變電磁法的數據處理和解釋開發的專用軟件。該軟件采用相對成熟的技術和方法，具有高精度和高分辨率的特點。該軟件包采用模塊式結構，每個模塊可以獨立執行不同的功能。主要步驟如下包括

（1）數據轉換：包括數據歸一化處理、重新采樣、極性校正、測點和測點編輯等。

（2）數據處理：主要是計算全程視電阻率。包括噪音剔除、畸變校正、一次場消除、關斷時間校正等。

（3）數據解釋：視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換、擬二維電性剖面和擬三維切片等。

數據解譯完畢后可導入Suerfer專業成圖軟件，繪制出電視阻率等高線剖面圖。充分結合地質資料或其他物探或鉆探成果進行對比。

3 應用實例

3.1 測區地質及水文地質概況

郁山煤業23091工作面煤層賦存較為穩定，平均煤厚約2.79m，煤層平均傾角19°，煤層含有1層夾矸，厚度0.15～0.35m。煤層直接頂板為細中粒砂巖，平均厚度11.44 m，底板為炭質泥巖，平均厚度3.11m。工作面北鄰郁山斷層，該斷層傾角約70度，落差30～60m，與工作面間留有斷層煤柱。工作面掘進過程中未揭露斷層。

二1煤層底板對采掘有影響的含水層主要有太原組灰砂巖含水層和寒武系灰巖含水層。其中寒武系灰巖含水層溶裂隙發育和富水性極不均勻，該含水層距二1煤層平均48m，水位標高約+110m，測區范圍內二1煤層底板隔水層承受的寒灰水壓最大約1.6MPa，突水系數0.04 MPa/m，正常情況下，寒灰水對開采影響較小。

3.2 施工方法

本次23091工作面瞬變電磁勘探采用偶極布置方式（見圖3）在巷道內進行施工。

分別在23091工作面上巷、切眼和下巷分別布置工程測線2條，即底板垂直勘探線和底板內俯30°勘探線。共完成測線6條，總長1940m，實測物理點194個。點距10m，1m×1m發射框，電流1A，發射頻率25Hz。探測路線如圖4所示。

3.3 成果分析

圖5和圖6即為選取23091工作面下巷底板垂探和內俯30゜瞬變電磁電阻率剖面圖，橫坐標為測點位置，縱坐標為探測深度，

圖中曲線為富水性分析指標等值線，不同色標代表視電阻率的大小，數值約小，視電阻率越低，富水性也越強，即所謂低阻異常區。

圖5可以看出，巷道切眼口向外310-380 m范圍內低阻異常區視電阻率較低，處于底板45 m以深區域，阻值較低，分析此異常可能受底板含水層裂隙充水影響所致，需做進一步驗證。

圖6可以看出，巷道內爭取視電阻率較高，并無明顯異常。

4 結論

郁山煤礦23091工作面底板瞬變電磁勘探基本達到了預期目的和探測效果。通過實地工作和現場總結，認為該方法有以下特點：

（1）不受高阻屏蔽，探測深度可達100m以上。二1煤層底板隔水層厚度普遍在50m左右，滿足礦方探測需求；

（2）探測靈敏度高。由于是在切斷原始激發場的情況下觀測二次感應場，富水低阻異常區段內能引起較強的二次渦流場，因此對低阻含水地質異常體的電性結構變化具有很好的分辨能力；

（3）井下瞬變電磁勘探法是一種高效的物探手段，近200個實際測點可在四個小時內完成，與直流電法相比，無需布極，且具有全空間探測優勢，方法靈活，對于復雜的地質構造，瞬變場可顯示出明顯的異常特征。

參考文獻

[1]李玉寶.煤礦井下物探技術發展回顧與展望[J].中國礦業，2012，21（8）：449-451.

[2]姚小帥，申青春，楊培，郝會安，伊曉子.瞬變電磁技術在井下水文孔選址中的應用[J].中州煤炭，2012，06：83-84.

[3]張春光，姚小帥，申青春，郭振橋，廉潔.瞬變電磁技術在煤層底板巖溶水探測中的應用[J].煤炭工程，2014，01：76-79.

[4]廉潔，姚小帥，申青春，王啟軍.基于扇形成像方法的井下瞬變電磁超前探測技術應用[J].中州煤炭，2011，08：53-54.

[5]李松營，楊培，姚小帥.利用瞬變電磁法測定井下水源井位置[J].中國煤炭地質，2013，25（6）：58-60.

[6]劉國棟.電磁方法研究與勘探[M].北京：地震出版社，1993，1-21.

作者簡介

李杰（1987-），男，助理工程師，畢業于河南省理工大學，現從事地質、水文地質工作。