瞬變電磁在采空區(qū)含水性超前探測中的應(yīng)用

張瑞堯，陶 威，朱亞林，劉秀能，王海軍，賈凱鋒，邵瑞琦

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.陜西省地礦局區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，陜西 咸陽 712000；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；4.長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710018)

人們大規(guī)模開采煤炭資源，創(chuàng)造可觀經(jīng)濟利益的同時也留下了煤炭采空區(qū)這一隱 患。尤其是積水采空區(qū)還存在突水災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著井下工作人員及運行設(shè)備的安全[1-2]。目前查明采空區(qū)富水性的方法主要有：現(xiàn)在主要應(yīng)用于巷道超前探測的方法有：鉆探、紅測溫法、地震反射波法、瑞雷波法、礦井直流電法、地質(zhì)雷達(dá)法[3-4]。就地質(zhì)效果而言， 鉆探方法比較適合，但是此方法又存在費用高和時間長的缺點。其余的方法多多少少都存在探測空間范圍小(普遍為正前方)、探測距離不夠的不足。因此，如何有效精確地的實現(xiàn)多方位、長距離的超前探測是有非常重要意義的[5]。衰退慢和易穿透是電磁場在高阻介質(zhì)中傳播的一重要特點，采用非接觸式、小回線(邊長大于 2m 左右)、多匝數(shù)測量裝置的礦井瞬變電磁技術(shù)探查綜放工作面頂板水害源，在多個礦井進行了實際實踐應(yīng)用，都取得了較好的地質(zhì)效果。

1 基本原理

1.1 物性前提條件

巖石物性的不同是瞬變電磁的工作前提。目前學(xué)界認(rèn)為從泥巖、粉砂巖直至礫巖到煤層、灰?guī)r，巖石的電阻率是呈增大趨勢的，換而言之，煤層和灰?guī)r較其他巖層可被視為高阻層。另外，對于同一巖層來講，其含水率是決定電阻率高低的因素，含水率增加， 電阻率減小，含水率減小，電阻率增大。所以，巖層本身的巖性和含水性都是影響巖層電阻率的重要因素。這就說明了灰?guī)r地層(地層含水)低電阻率的緣由。反之，電阻率則表現(xiàn)為高值[6]。

如果迎頭前方存在斷層，那或許就說明有含水構(gòu)造或者導(dǎo)水裂隙，從地球物理上來講，會表現(xiàn)出電性的不同[7]。因此采用瞬變電磁法探測迎頭前方的物性分布情況，能夠為進一步安全掘進提供較為科學(xué)的水文地質(zhì)參數(shù)。

1.2 基本原理

瞬變電磁法是時間域電磁感應(yīng)方法的一種[8-9]。提供一個方波電流脈沖在發(fā)送回線上，就在方波達(dá)到下降沿的一瞬間，會生成一個一次磁場向回線法線方向傳播，在一次場的不斷促使下，地質(zhì)體會產(chǎn)生大小由地質(zhì)體導(dǎo)電程度決定的渦流。渦流并不會伴隨著一次場的立即消失而立即消失，它的衰減還存在一定的時間過程。在這一時間過程之中又會產(chǎn)生一個向掌子面?zhèn)鞑サ乃p的二次磁場，該二次磁場被接受回線接收，此二次磁場的變化情況即可反映出地質(zhì)體的電性分布情況。如果想要得到二次磁場與時間的特征曲線，那就必須測量出不同的延遲時間下的二次感應(yīng)電動勢 V(t)。一般存在兩種情況： 不存在良導(dǎo)體與存在良導(dǎo)體，前者可以觀測到二次磁場快速衰減的變化過程，對于后者來講，在切斷電源的瞬間，導(dǎo)體內(nèi)將會產(chǎn)生渦流(維持一次場的渦流)，這就會產(chǎn)生衰變速度變慢的結(jié)果，因此發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在(圖 1)。在大地中通過"煙圈"的形式進行傳播是瞬變電磁場的主要傳播方式(圖 2)，電磁通量在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生消耗， 由于集膚效應(yīng)，高頻部分和低頻部分分別主要分布于地表附近和源下面的局部，同時較低頻的部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大。

圖1 良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)原理Fig.1 Good conductor transient electromagnetic inductionprinciple

圖2 空間電磁場"煙圈"擴散示意Fig.2 Spatial electromagnetic field “smoke ring” diffusion

1.3 礦井瞬變電磁探測特點

基于井下探測施工環(huán)境有著自己的特殊性這一因素，礦井瞬變電磁法較地面瞬變地磁法和其他礦井物探方法存在以下特點[6-10]：

(1)邊長大于 50m 的大線圈裝置通常是地表測量所采用的。但是在空間有限的井下巷道工作中，采用邊長小于 3m 的多匝小線圈是一種較佳的選擇，因為這種方式較地面瞬變電磁法和其他礦井瞬變電磁探測具有測量設(shè)備輕便、工作效率高、成本低等優(yōu)勢， 且適用于巷道掘進迎頭超前探測或巷道長度有限等其他礦井探測方法無法工作的巷道。

(2)采用小線圈測量較大線圈測量還具有橫向分辨率更高、點距更密(2～20m)、體積效應(yīng)更低的優(yōu)點，另外就小線圈測量而言，測量裝置距目標(biāo)也更近，可以達(dá)到感應(yīng)磁性體較強的效果，同時具有相對較高的磁性靈敏度。

(3)因為小線圈裝置在發(fā)射電磁波方面具有方向明確的特點，所以在其施工應(yīng)用時，對目標(biāo)體的探測更具有針對性，更能達(dá)到較好的效果。

(4)發(fā)射電流關(guān)閉時間會影響到早期的信號測量，會使其發(fā)生變形，這便會產(chǎn)生淺層地質(zhì)體無法被準(zhǔn)確測量的結(jié)果，因此淺部(10～20m)會存在一定的測量盲區(qū)。

(5)由于井下存在變壓器、采煤機械、排水管道、金屬支架等金屬物的影響，因此直接獲得的測量數(shù)據(jù)是存在誤差的，必須對測量數(shù)據(jù)在后面處理的過程中加以校正或者刪除。

全空間電磁場分布的問題是礦井瞬變地磁法和地面瞬變電磁所共同面臨的。由于煤層一般具有電阻高的特性，這會使得電磁波通過較易，因此煤層對 TEM 不具備屏蔽性(并不會如直流電電場那樣)，TEM 測量到的信號可以被認(rèn)為是線框周圍全空間巖石電性的綜合顯示。但可以利用小線框電磁傳播具有方向性、體積效應(yīng)小等特點，利用其他地質(zhì)資料以及通過改變線框平面方向的方法來相對準(zhǔn)確地確定地質(zhì)異常體的空間位置。

2 方法技術(shù)

一般情況下，探測對象的埋深、規(guī)模以及電性是選擇回線邊長的依據(jù)。選擇的依據(jù)是長與異：探測對象的埋深必須與回線邊長大致相同，否則會導(dǎo)致其探測分辨率能力變差，同時也會受到周圍地質(zhì)體的干擾更大。由于地下條件本身的限制，所以其不同于地表測量，只能采用多匝小線框(邊長小于 3m)，不能采用邊長大于 50m 的大線圈[11]。要達(dá)到增加探測的深度的目的，就必須讓裝置的發(fā)射磁矩達(dá)到相對應(yīng)的數(shù)值，因此裝置的發(fā)射磁矩和探測磁矩是存在直接關(guān)系的。而線圈的發(fā)射電流、匝數(shù)、有效面積(即邊長)又與磁矩成正比例關(guān)系。因此通過增加線圈的匝數(shù)、電流和有效面積可以提高信噪比，進一步達(dá)到提高發(fā)射功率和增加有效探測深度的目的。點距密的小線圈，現(xiàn)場測量一般控制在 5m 左右，如果遇見觀淋水點或者淋水區(qū)，適當(dāng)縮小點距是必要的。

關(guān)于對多匝小回線發(fā)射磁場方向研究，可以得出線框平面的法線方向即為瞬變電磁探測方向的結(jié)論。所以，要想明顯的反映出煤層頂?shù)装鍍?nèi)部的地質(zhì)異常，將發(fā)射和接受線框平行于煤層頂?shù)装鍋硖綔y即可。

3 應(yīng)用實例

3.1 地質(zhì)概況

山西某煤礦六采區(qū)工作面上線標(biāo)高、下線標(biāo)高和地面標(biāo)高分別為 796m、696m 和904～1068m。太原組的 10#和 11#煤是目標(biāo)開采層，煤層均厚 7.38m，直接頂為 9#煤底層的泥巖，老頂為 K2 灰?guī)r，煤層底面為鋁質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。

該礦開采已有幾十年的歷史，在 9#煤前期開采過程中形成了諸多采空區(qū)，因該煤田K2 灰?guī)r厚度較大，區(qū)域富水性較強，這為 9#煤采空儲水提供了較好的條件。

3.2 探測方法

本次施工使用儀器為福 YCS40(A)型瞬變電磁儀，線圈邊長 2m，發(fā)射電壓是 6V，128 次疊加，發(fā)射頻率為 8.3Hz。

本次探測測線主要布置在 6112 工作面材料巷、6112 工作面運輸巷及切眼，探測方向為頂板 30°及順層 0°。因 6112 工作面上部為 9#煤采空區(qū)及 K2 灰?guī)r含水層，針對上述情況，本次探測的主要目的就是初步調(diào)查 6112 工作面面內(nèi)及 6112 工作面上方 9# 煤采空區(qū)和 K2 灰?guī)r區(qū)域富水情況。

3.3 探測結(jié)果

MTEM2.0 處理系統(tǒng)是本次瞬變電磁探測數(shù)據(jù)處理所采用的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理的流程依次為：數(shù)據(jù)上傳、格式裝換、數(shù)據(jù)濾波處理、計算晚期視電阻率、正反演計算、最終成圖[12-13]。

通過上面數(shù)據(jù)分析處理過程，得到巷道前方瞬變電磁剖面結(jié)果如下所示(如圖 3)。

a. 6112 工作面切眼內(nèi)幫頂板 30°方向視電阻率結(jié)果 a. 6112 working face cut-off eye 30°direction apparent resistivity results

由圖 3 可見2個相對視電阻率剖面，分別為 6112 工作面切眼內(nèi)幫頂板 30°、6112工作面切眼內(nèi)幫順層 0°方向視電阻率擬斷面圖；以材料巷口-運輸巷口為探測方向，從觀測系統(tǒng)中可以看出，6112 工作面切眼內(nèi)幫在 12～50m、60～90m 范圍深度 50～100m 深度頂K2灰?guī)r層相對視電阻率在0.1～0.7Ω·m范圍內(nèi)，為低阻異常區(qū)，疑為K2灰?guī)r局部富水影響地段；推測在該區(qū)域局部相對富水且水性較強。

4 結(jié)論

(1)山西某煤礦六采區(qū)6112工作面切眼內(nèi)幫在12～50m、60～90m以50～100m范圍為低阻異常區(qū)，可能為K2灰?guī)r局部富水影響地段，說明在該區(qū)域局部相對富水且水性較強的。

(2)礦井瞬變電磁具有諸多優(yōu)點，如體積效應(yīng)小、施工效率高、探測方向強、低阻體反映敏感、分辨率高等，可以對巷道前方各個方位構(gòu)造富水性進行有效的探測。此種方法可以相對準(zhǔn)確的預(yù)見巷道掘進迎頭前方的含水分布情況，這就為巷道快速安全掘進提供了一定的保證。