瞬變電磁法在礦井迎頭防水中的應用

陳豪　高柱

摘 要：文章介紹了礦井瞬變電磁法的基本原理、井下施工方法，通過貴州A煤礦實例表明，礦井瞬變電磁法可有效圈定巷道掘進前方可能存在的低阻異常，可對巷道前方20到100米范圍水害作出一定的超前探測，是一種有效的探測方法，可很好的為煤礦安全生產(chǎn)防治水工作提供技術支持。

關鍵詞：瞬變電磁；礦井迎頭；防水應用

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0005-02

1 概述

煤炭作為我國最主要的能源支柱，推動著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，但其結果導致淺部煤炭資源幾近消耗殆盡，開采由淺部向深部發(fā)展將成為今后的發(fā)展趨勢。在煤炭資源開采過程中，存在著煤礦水害、瓦斯等安全隱患，此外，貴州屬于典型的卡斯特地貌地區(qū)，地表落水洞、溶洞屢見不鮮，巖溶裂隙發(fā)育又分布極不均勻，因此煤礦水害問題在貴州顯得尤為重要。

由于開采深度的增加，運用傳統(tǒng)的地表勘探方法不能很好的解決精度問題，所以礦井近距離探測成為當前研究熱點[1]。利用礦井下各種巖石的電性差異，地球物理工作者研發(fā)了礦井瞬變電磁法設備，它可對礦井掘進迎頭、頂板、底板和巷道兩側幫進行全方位的探測，為煤礦預防水害提供了重要的參考依據(jù)。

2 基本原理

瞬變電磁法（簡稱TEM），是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法[1]。

把大地理想化為均勻各相同性介質，那么大地的導電率？滓、導磁率？滋也是一定的，在地面鋪設供有線階躍脈沖電流I（t）的發(fā)射回線，發(fā)射回線面積為S，其表達式：

當t<0時，發(fā)射回線中供有電流I，根據(jù)電磁感應原理可得，發(fā)射回線周圍形成一個穩(wěn)定的磁場；在t=0時刻，突然關斷電流，那么由該電流感應出的磁場也立刻消失，一次磁場從穩(wěn)定到突然消失的這一急劇變化又重新在大地中激勵出新的感應電流，該電流的產(chǎn)生支撐了電流關斷之前形成的磁場，保證空間存在的磁場不會立即消失，由于地下介質熱損耗的緣故，磁場能量會逐漸被消耗殆盡[2]。

礦井瞬變電磁法所運用的基本基本原理、采集數(shù)據(jù)的裝置形式以及時間序列都遵循地面瞬變電磁法。由于井下環(huán)境的特殊性，地面瞬變電磁法接收的是半空間的二次場，而礦井瞬變電磁法在井下產(chǎn)生的二次場呈全空間分布（圖1）

3 應用實例

3.1 工區(qū)概況

貴州A煤礦為第四系黃土所覆蓋，其北東面河流二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r大面積出露，屬溶蝕-侵蝕性中山地貌，總體地勢南高北低，西高東低。地表水受季節(jié)性變化十分顯著，雨季暴漲，地表溝水會隨地裂縫及孔隙進入煤礦，使煤礦涌水量增加。區(qū)域內(nèi)查明的斷層有四條，這些斷裂帶上雖未見有充水導水跡象，但已切穿含水層之間的水力聯(lián)系，各含水層地下水可能通過斷層裂隙滲入礦井，對深部礦床的充水構成威脅。

3.2 施工方法

本次探測使用飛翼股份有限公司研發(fā)的YCS160礦用本安型瞬變電磁儀，該設備的發(fā)射、接收線圈為邊長2.0米×2.0米的矩形線框，發(fā)射線圈為24匝、接收線圈為52匝，時間序列選擇中時間序列，時間脈寬選擇10ms，采用裝置類型為重疊回線，疊加次數(shù)選擇32次。

測點布置在迎頭位置，對于每個探測點，設計發(fā)射和接收線圈的法線與巷道順層、頂板和底板的夾角大小分別呈90°、135°和45°，以達到探測巷道順層（圖2a）、頂板（圖2b）和底板（圖2c）的圍巖變化情況的目的。共布置測點13個（圖3），每個點測3個方向，共13×3=39個數(shù)據(jù)。

3.3 結果分析

采集完整的前方信息后，利用中國礦業(yè)大學礦井瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)，對所獲數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理、斷面文件處理、時深轉換處理、深度校正處理和超前探測等處理，得到礦井瞬變電磁法超前探測視電阻率等值線擬斷面圖（圖4）。圖4（a）為頂板探測結果，圖4（b）為順層探測結果，圖4（c）為底板探測結果。圖中橫坐標0點位置對應巷道迎頭位置，縱坐標軸為迎頭前方或頂?shù)装逖靥綔y方向的距離。圖中橫坐標軸副坐標方向對應迎頭位置左側幫，正坐標方向對應迎頭位置右側幫。

圖4（a）中右側幫約30°～50°之間范圍，距離巷道40m左右有一相對低阻異常帶，結合視電阻率數(shù)值和已有地質資料初步判斷該處可能為地質破碎帶。圖4（b）中，巷道迎頭視電阻率值左右基本對稱，由于巷道兩側支護皆為金屬鋼鐵，左右側幫出現(xiàn)相對低阻異常帶，隨著深度的加深，順層方向的視電阻率曲線逐漸趨于正常，在右側幫約80°～90°之間范圍、距離迎頭70m左右有一相對低阻異常區(qū)，結合視電阻率數(shù)值認為該處地理位置可能表現(xiàn)為裂隙帶巖體潮濕導水所致，后期礦方布置鉆孔驗證，在鉆到62米時看到了出水現(xiàn)象，探測結果得到了驗證。圖4（c）底板巖層基本穩(wěn)定、完整，不存在明顯低阻異常。

4 結束語

通過本次瞬變電磁法在礦井防水中的應用發(fā)現(xiàn)，該方法配合儀器設備能較好的對巷道前方20到100米范圍水害作出一定的超前探測，且探測結果可靠，對煤炭資源的安全開采具有重要意義。在實際應用過程中，由于儀器自身原因存在著探測盲區(qū)，而巷道內(nèi)鐵器支護也會對探測結果造成干擾和影響，故在方法應用上，存在的技術問題需要繼續(xù)研究和改進。

參考文獻：

[1]常杰.瞬變電磁法巷道超前探測[J].華北科技學院學報，2011，8（3）.

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

[3]劉白宙.井下瞬變電磁技術在探測煤礦老空水方面的應用[J].地震地質，2007，29（3）.

[4]王啟軍，林向東，等.礦井瞬變電磁法超前探測研究[J].吉林地質，2009，28（2）.endprint