YCS-360A瞬變電磁儀在草垛溝礦工作面的推廣應用

董雪峰

（山西煤炭進出口集團左云草垛溝煤業有限公司， 山西 大同 037000）

1 探測區域概況

山煤集團左云草垛溝煤業是一家國有煤炭生產單位，為原小窯礦井兼并重組而成。礦井批采5號-14號煤層，其中8號、11號煤層已大部分采空、8-1號、8-2號煤層部分采空，14號煤層已全部采空；本礦井采空范圍較廣、老空積水賦存情況復雜，嚴重影響礦井的安全生產。為保證礦井安全有效的生產，特引進安徽地質科技有限公司的YCS-360A瞬變電磁儀為本礦進行物理電磁探測。

8115回風順槽、8113準備回采工作面位于草垛溝礦設計的8-1號煤層的一盤區東翼，8-1號煤層上部為8號煤層、8-1號煤層下部為8-2號煤層、層間距平距為16.58 m。8-1號煤層直接頂：灰色中砂巖，厚1.10 m，中厚層狀，膠結致密，穩定性較好。老頂：巖性為砂礫巖及粗砂巖，厚4.20～26.93 m，一般4～6 m，穩定性較好。底板：砂質泥巖、粉砂巖及少量的炭質泥巖。

8115回風順槽設計980 m，巷道斷面為3.2 m×2.4 m，支護方式為錨網+錨索，開拓方式為炮掘。8113工作面走向980 m、傾向150 m，煤層平距厚度為1.2 m。為了保證8115回風順槽掘進安全和8113準備回采工作面回采安全，查明其前方、上方、下方的水情水患情況，進行物理電磁法探測。

2 瞬變電磁儀工作原理

2.1 瞬變電磁儀概述

探測使用儀器研制的YCS360A型瞬變電磁測深儀，YCS360A礦用瞬變電磁儀對低阻充水破碎帶反映特別靈敏、體積效應小、縱橫向分辨率高、盲區小，且施工方便、快捷、效率高等優點，既可以用于煤礦掘進頭前方，也可以用于巷道側幫、煤層頂、底板等探測，為煤礦企業在生產過程中水患和導水構造的超前預測預報提供技術手段。

軟件設計集成了經典的和專家的時間域瞬變電磁法勘探理論、技術與方法，其一次場波形發射和二次磁場接收技術和方法，可以進行復雜的地質構造勘探。

1）現場探測：集成了多樣式一次磁場發射，高精度、高分辨率的二次磁場接收技術與方法。

2）文件管理：文件管理工具，可創建文件和刪除文件，創建和刪除當前二次磁場記錄文件。

3）數據顯示：一次磁場波形發射顯示工具，接收二次磁場顯示。

4）檢測處理：一次磁場發射時相對應電流檢測，對模數轉換器校零，及對二次渦流場增益檢測，手工置增益。

5）便于操作：自動管理測點號和測線號及波形文件管理工具。

本次探測工作主要使用的儀器設備有：YCS360A型礦井瞬變電磁儀1臺；發射線框及接收線框組成的重疊回線工作裝置1套；配套連接線若干。

2.2 瞬變電磁儀探測原理

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，產生一個向發射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，如下頁圖1所示，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地質體內傳播，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，如下頁圖2所示。

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，如圖3所示；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。

圖1 半空間中的等效感應電流圖

圖2 瞬變電磁法原理圖解

圖3 TEM衰減曲線（探測的根據）

2.3 礦井瞬變電磁的特點及優點

由于礦井軌道、高壓環境及小規模線框裝置的影響，在井下的探測深度很受限制，一般可以有效解釋110 m左右。礦井瞬變電磁法為全空間瞬變響應，這種響應來自回線平面上下（或兩側）地層，這對確定異常體的位置帶來很大的困難。實際資料解釋中，必須結合具體地質和水文地質情況綜合分析。礦井瞬變電磁法具有以下特點：

1）受礦井巷道的影響礦井瞬變電磁法采用了邊長1.8 m的多匝回線裝置，這與地面瞬變電磁法相比數據采集勞動強度小，測量設備輕便，工作效率高，成本低。

2）采用小規模回線裝置系統，因此為了保證數據的質量、降低體積效應的影響、提高勘探分辨率，特別是橫向分辨率，在布設測點時一定要控制點距，在考慮工作強度的情況下盡可能使測點密集。

3）井下測量裝置距離異常體更近，提高了測量信號的信噪比，經驗表明井下測量的信號強度比地面同樣裝置及參數設置的信號強10～100倍。井下的干擾信號相對于有用信號近似等于零，而地面測量信號在衰減到一定時間段接被干擾信號覆蓋，無法識別有用的異常信號。

4）地面瞬變電磁法勘探一般只能將線框平置于地面測量，而井下瞬變電磁法可以將線圈放置于巷道底板測量，探測底板一定深度內含水性異常體垂向和橫向發育規律，也可以將線圈直立于巷道內，當線框面平行巷道掘進前方，可進行超前探測；當線圈平行于巷道側面煤層，可探測側幫和頂底板一定范圍內含水低阻異常體的發育規律。

5）礦井瞬變電磁法對高阻層的穿透能力強，對低阻層有較高的分辨能力。在高阻地區由于高阻屏蔽作用，如果用直流電法勘探要達到較大的探測深度，須有較大的極距，故其體積效應就大，而在高阻地區用較小的回線可達到較大的探測深度，故在同樣的條件下TEM較直流電法的體積效應小得多。

3 探測布置

3.1 8115回風順槽探測布置

本次探測分水平0°、水平向上30°、水平向下30°和垂直四個方向掃描，水平方向掃描左右各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點；垂直方向相似，掃描上下各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點。探測方式即測線布置示意圖，如圖4所示。

3.2 8113回采工作面探測布置

分別在8113工作面回風順槽、運輸順槽布置探測點，探測點距為10 m。回風順槽布置91個探測點，運輸順槽布置91個探測點，共布置182個探測點。每個點探測7個方向，分別為：頂板45°、頂板30°、頂板 15°、頂板 0°、底板 15°、底板 30°、底板45°。探測長度約1 800 m。角度示意圖，如圖5所示。

圖4 探測方式即測線布置示意圖

圖5 瞬變電磁探測角度示意圖

3.3 探測區域及完成工作量

8115回風順槽的探測工作開始于2016年9月25日，在草垛溝礦8115回風順槽開口10 m處進行電磁法探測、每一次探測距離為120 m，每掘進90 m探測一次，在8115回風順槽S3點前49 m探測到上方有異常低阻區。

8113回采工作面圈成后于2016年10月在本工作面進行了瞬變電磁探測、根據探測結果分析其上方10 m、偏于8113運輸順槽有含水層局部破壞形成含灰層積水，如圖6所示。

3.4 綜合分析及建議

在探測結果出來后經過本礦水文地質技術人員綜合分析，確定8115回風順槽為上部8號煤層低洼處積水，8113回采工作面運輸順槽上部10 m條帶為含水層在掘進過程中破壞，形成的上部沙巖含水層積水。

建議一般情況下、在同一條件下巖石的電阻率不發生變化、但如果巖層發現裂隙或者充水那么巖石的電阻率就會發生大的變化。對異常區進行鉆探驗證，以確定有效的深度系數及電阻率系數，為以后電磁法探測工作積累數據保證探測精度。

圖6 回風順槽探測+30°上方異常區圖

3.5 結果驗證

物探測水結果出來以后，由地測科防治水技術人員會同探水隊從業人員分別對8115回風順槽和8113回采工作面進行了鉆探驗證設計、鉆孔驗證8115回風順槽以55 mm口徑鉆到8號層、排放積水約100 m3；在8113運輸順槽Wh19點處驗證排放含水層積水80 m3。

4 結論

物探手段在草垛溝礦的生產中形成了一種探測先行手段，結合鉆探對低阻異常區進行高效鉆探驗證，為該礦節省了大量的生產成本，提高了生產效率和經濟效益，同時也為調查采空區積水情況提供了一條有效途徑。