曙光煤礦瞬變電磁超前探測物理模擬試驗研究

王 欣

（山西焦煤集團汾西礦業曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦水害事故對于礦山企業的安生生產影響重大，已成為礦山安全重大事故種類之一，事故較小則造成工作面全面停產，事故大則帶來礦井事故，使井下作業人員發生重大的傷亡事故。因此，礦山防治水工作就成為礦山企業安全生產不可忽略的重要問題之一。

利用瞬變電磁超前探測物理模型，對煤礦工作面研究的探測方式進行分析驗證，了解瞬變電磁法怎樣判斷工作面巷道探測時前方圍巖體內部含水體的分布情況，同時利用獲得的水文信息資料配合探測得到的水體可以進行合理的解釋，對于確保礦井安全生產起決定性作用，對實現高產量高效率具有非常重大的歷史意義。

1 瞬變電磁探測法

當前，曙光煤礦瞬變電磁法采用的工作儀器基本有兩個，一個是重疊回線圈，另一個是偶極對偶極。礦井瞬變電磁法在煤礦地下巷道中使用時都是多匝小型的回線圈儀器，參數的準確可以直接干擾測量的結果，主要參數包括回線圈的邊長，回線圈的圈數，時間序列，疊加次數等[1]。

測點布置主要是在掘進巷道的迎頭處，如圖1所示，即以巷道的迎頭左邊為起始位置，首先讓發射以及接收的天線的法向線與巷道左側面相互垂直，然后進行探測（圖1中的1號測點），再轉動天線，讓天線的法向線與巷道左邊分別成60°，45°和30°的夾角再依次探測（圖1中的2，3和4號測點）；如果天線的法向線的方向跟巷道的迎頭界面的角度成90°角時，可以依據其主迎頭的斷面寬度安設2～3個測點（圖1中的5，6和7號測點）；到達巷道的迎頭右邊然后轉動天線，讓法向線方的向跟巷道的右邊分別成30°，45°，60°和90°的夾角再依次探測（圖1中的8，9，10和11號測點）[2]。即需要從不同角度收集數據，從而取得相對比較完整的前方三維空間資料。

圖1 超前探測測點布置示意圖

在實際的操作過程中，針對圖1中的每一個發射點，讓天線的法向線方向跟巷道底板形成夾角，以探測巷道的頂板、順層以及低板方向的巖石導電情況。這樣就可以得到一個位于巷道的迎頭正前方一個錐形體區域內地質巖層介質的導電性變化狀況[3]。

2 數據采集及處理

本次瞬變電磁法探測采用的設備是武漢地大華睿地學技術有限公司研發的YCS200型[4]。

瞬變電磁數據處理，利用相關計算公式及采區的基本資料計算視電阻率、視深度等一些基本參數，根據資料的實際情況應進行濾波、一維反演處理，直至獲得合適的解釋數據。處理流程如下頁圖2所示。

本次資料解釋將堅持：“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。資料解釋的基本流程如下頁圖3所示。

礦井TEM視電阻率等值線斷面圖橫坐標為測點坐標，縱坐標為沿探測方向上深度坐標，結合地質和水文地質資料，確定探測區域內橫向、水平和垂向深度上巖層電性變化情況。資料解釋結合已知的地質、鉆探和水文等資料。在具體解釋中還做到了：人工解釋與計算機解釋相結合；垂直斷面與水平切面解釋相結合；電性解釋與綜合地質分析相結合[5]。

圖2 瞬變電磁數據處理及解釋流程圖

圖3 瞬變電磁資料解釋流程圖

3 瞬變電磁超前探測物理模型構建

建立物理模型進行模擬實驗，設置在長方體長、寬、高為1.0 m、0.7 m、0.7 m的沙槽中開展該實驗，該實驗利用細顆粒的黃沙當作均媒介模擬巷道的圍巖情況，沙槽內的黃沙厚度是0.6 m，在沙槽的隨便任意一側開挖一條合理的巷道，低電阻的金屬球安置在距離掘進巷道正前方的0.4 m位置。在模擬巷道的掌子面總共設置13個檢測點，相鄰測點之間的距離位0.03 m，測線系統的參數如表1所示。

4 模擬結果

如圖4所示的三個圖：一個是頂板方向的超前瞬變電磁法探測的視電阻率剖面圖，第二個是順層方向的超前瞬變電磁法探測的視電阻率剖面圖，第三個是底板方向的超前瞬變電磁法探測的視電阻率剖面圖，巷道頂板設計的探測方向跟水平面的夾角是45°，可以探測到迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況，縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況。扇形區域內的視電阻率相對比較均勻。順層方向的探測跟水平面幾乎是平行的，可以探測巷道迎頭正前方的視電阻率狀況，圖4呈現的是巷道的迎頭左前方和右前方的視電阻率，發現其值非常的高，而迎頭的正前方表現的視電阻率值相對低一些。底板的探測方向跟水平面的夾角也是45°，可以探測到迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況，縱軸方向上0.1～0.45m范圍內的電性狀況。圖中的左前方出現低電阻現象，極有可能是因為邊界效應引起的偏差。綜合分析低電阻部分的中心位置基本可以較好的和設計模型出現的異常體的實際位置相符合，分辨程度非常高。

表1 系統參數設置表

圖4 超前探測視電阻率等值線圖

5 結論

以探測煤礦采空區積水為研究背景，通過建立物理模型，進行瞬變電磁超前探測，主要結論如下：

1）迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況和縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況相對比較均勻；巷道的迎頭左前方和右前方的視電阻率，其值非常高，而迎頭的正前方表現的視電阻率值相對低一些；迎頭的前方頂板橫軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況和縱軸方向上0.1～0.45 m范圍內的電性狀況左前方出現低電阻的現象，極有可能是因為邊界效應引起的偏差。

2）低電阻部分的中心位置基本可以較好地和設計模型出現異常體的實際位置相符合，分辨程度非常高。