礦井瞬變電磁超前探測技術在石墨礦中的應用

古 瑤，王施智，崔江偉，萬宏偉

(陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西西安 710005)

0 引言

石墨是一種非金屬礦產，具有一系列的優(yōu)良性能，廣泛應用于冶金、化工、機械、醫(yī)療器械、核能、汽車、航空航天等行業(yè)，具有很大的開發(fā)利用價值。但在其開采過程中由于各種原因導致事故頻發(fā)，主要形式為中毒、瓦斯爆炸及突水，這些災害都將會給企業(yè)造成不可挽回的損失，目前瓦斯和中毒尚無具體應對方法，而針對危害較大的突水事故，則可以提前進行采空區(qū)、富水異常區(qū)的探測，以達到預防的目的，因此各種水體探測方法應運而生，超前探測就是其中一項重要措施。

據(jù)以往資料統(tǒng)計，目前探查掘進迎頭前方地質體信息的主要手段有兩種:一是鉆探方法，該技術能直觀、準確地反映出所探查區(qū)域的地質體信息，但其效率低，成本高，且具有一定的盲目性和危險性;二是礦井物探方法，其主要技術手段可分為礦井直流電測深法和礦井瞬變電磁法。傳統(tǒng)的直流電法技術雖然理論成熟，但其工作效率低、且受高阻屏蔽影響，資料解釋較復雜。而瞬變電磁為非接觸式探查技術，因此不受巷道耦合條件影響，加上其施工快捷、體積效應小、探測距離大、指向性強、不受高阻層屏蔽等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于煤礦工作面頂?shù)装遒x水情況預測預報中。

1 礦井瞬變電磁勘探技術

礦井瞬變電磁勘探屬于全空間效應的勘探方法［1］，通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間的變化規(guī)律，可總結出不同深度的地電特征［2］。礦井瞬變電磁勘探技術利用不接地回線在井下巷道內設置發(fā)射線圈，之后通以一定電流，隨之發(fā)射電流會在其周圍導電巖礦體中間產生穩(wěn)定的一次場和感應電流。在斷開電流之前，其會在回線范圍內產生一個穩(wěn)定的磁場。由于電磁場在空氣中傳播速度很快，而在t=0時刻，電流突然斷開，由其產生的磁場也立即消失，一次電磁場突然變化的結果首先傳播到距離發(fā)射線圈最近的巷道頂、底板和側幫的巖層中，在此過程中，感應電流的分布是不均勻的，在緊靠發(fā)射線圈最近的巷道頂、底板及側幫最強，隨著時間的推移，巷道周圍的感應電流逐漸向外擴散，強度逐漸減弱，分布趨于均勻。在斷開發(fā)射電流的任一時刻，感應電流在巷道內產生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀的電流磁場，俯瞰這些等效電流環(huán)像從發(fā)射回線“吹”出來的一系列“煙圈”，這些“煙圈”將巷道頂、底板導電巖層中渦旋電流向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖1所示。這種效應遇到構造和富水區(qū)域會發(fā)生異常變化，分析這種變化即可探測出地質構造和富水區(qū)域。

圖1 “煙圈效應”示意圖

2 應用實例

2．1 礦區(qū)概況

本次探測區(qū)位于湖南省郴州市魯塘鎮(zhèn)某石墨礦，屬接觸變質型隱晶質石墨。礦體產于二疊系龍?zhí)督M煤系地層中。魯塘鎮(zhèn)是全球最大的土狀石墨產地，最好的石墨礦就藏在北湖的魯塘。在過去的幾百年中，亂采亂掘現(xiàn)象嚴重，不僅礦井密度大，而且巷道上下重疊，左右交叉，“樓中樓”“洞中洞”現(xiàn)象普遍，井下巷道縱橫交錯，所有廢棄巷道和采礦區(qū)都停止了排水，也沒有采取任何充填措施，積水嚴重，一旦穿透，將殃及所有聯(lián)通礦井。因此本區(qū)主要安全隱患就是突水事故。

2．2 裝置形式

根據(jù)之前礦井直流電法的應用研究及相關技術，將瞬變電磁法應用于井下時，基于井下環(huán)境的限制，采用多匝——小回線形式的裝置來探查不同位置和方向的地質構造和富水情況，使其更適應井下狹小的空間環(huán)境且更具方向性。

2．3 數(shù)據(jù)采集

探測區(qū)具體位置位于南方石墨煤五礦財源副井－13 m水平東主運輸巷，使用儀器為YCS512礦井瞬變電磁儀。根據(jù)巷道的實際情況，經過模擬試驗，決定采用1 m×1 m正方形回線(重疊回線裝置)，發(fā)射回線20匝，接收回線40匝，電流3．2 A進行施工。

根據(jù)礦井水文地質資料分析，首先確定巷道迎頭前方可能發(fā)育的含水構造距迎頭的距離，依據(jù)瞬變電磁場“煙圈效應”理論，結合井下巷道的實際條件，將測量裝置按照前述的方法布置在巷道迎頭附近，確保巷道迎頭前方可能發(fā)育的構造在一次場輻射的錐體范圍內，根據(jù)電磁感應定律，有較大構造的位置產生的感應渦流場與無較大構造處存在明顯不同，在一次場關閉后，接受回線中將感應不同的二次場。如果構造不在一次場輻射的錐體范圍內，將不會產生異常的感應渦流場。因此，礦井瞬變電磁探查方向設計的準確性直接影響到其探測效果［5］。

在巷道迎頭施工時，測點的空間布置如圖2所示。從巷道迎頭的一側開始，以15°的間隔，依次按照與迎頭正前方不同夾角進行扇面掃描，直至另一側結束，如圖2共布置15個掃描方位，左幫5個(左90°～左30°)，迎頭正前方5 個(左15°～右15°)，右?guī)?個(右30°～右90°)，形成對迎頭左前方、正前方、右前方的探測(如圖3所示)，從而可以在全空間范圍內確定是否有含水的低阻異常體。

2．4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后，首先對數(shù)據(jù)進行整理，之后進行處理。瞬變電磁法資料處理基本工作流程如圖4所示。

圖2 超前探測扇形掃描方向示意圖

圖3 超前探測方位布置示意圖

圖4 瞬變電磁法資料處理流程圖

數(shù)據(jù)讀取及顯示:包括數(shù)據(jù)讀取、曲線顯示、測點編輯等功能，在此模塊可以檢查曲線形態(tài)是否符合地質規(guī)律，對曲線進行手動編輯等。

曲線圓滑:主要是利用小波變換對曲線進行圓滑處理。

視電阻率計算:利用編輯矯正后的數(shù)據(jù)計算得到其視電阻率值。

視深度計算:利用前面模塊的計算結果，采用相應公式計算視深度。

坐標轉換:對超前探測結果進行坐標轉換，得到相應的扇形圖。

自動常規(guī)處理:此模塊是對上面各種模塊功能的集成，一般利用此模塊可以一鍵完成上述的全部處理工作。

自動繪圖:自動鏈接內嵌的繪圖軟件，繪制視電阻率等值線圖。

2．5 數(shù)據(jù)資料解釋

在數(shù)據(jù)采集處理完成后，對數(shù)據(jù)進行了初步的解釋。圖5、6、7分別是在石墨礦迎頭不同方向上進行超前探測的結果扇形圖。

圖5 頂板45°方向超前探測扇形圖

圖6 順層方向超前探測扇形圖

圖7 底板45°方向超前探測扇形圖

不同的巖石具有不同的導電性，因此各個地層的電性變化也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，當?shù)貙映练e環(huán)境整體較均勻，無大的構造異常時，等值線在扇面圖上即呈似層狀分布，變化較平緩;相反，當巷道迎頭前方存在較大的未知構造或采空區(qū)時，會破壞巖層的整體性，從而使巖層電性產生明顯差異，等值線發(fā)生扭曲、變形、圈閉或呈密集條帶狀等。通過分析巷道左、右側幫與迎頭前方的視電阻率等值線圖，可以看出巖層電性變化明顯的位置，從而通過對數(shù)據(jù)的分析解釋，推斷出未知構造的位置，其對含水構造效果尤其明顯。

由于礦井瞬變電磁法屬于全空間的探測方法，因此在資料解釋過程中，結合井下環(huán)境及周圍地質情況，不只是基于視電阻率異常來劃分圈定富水異常區(qū)。

本次探測深度約75 m，以相對低阻圈定異常區(qū)，在頂板45°方向圈定異常2處，如圖5所示，1號異常位于巷道頂板右側60°～75°方向30～50 m之間，2號異常位于巷道頂板左側15°方向30～60 m之間;在順層方向圈定異常3處，如圖6所示，1號異常位于巷道頂板右側60°～75°方向30～50 m之間，2號異常位于巷道頂板左側15°～0°方向30～65 m之間，異常范圍較大，3號異常位于巷道頂板左側30°方向40～70 m之間。

綜合對比3幅扇形圖可知，在巷道右側60°～75°方向30～50 m之間均存在相對低阻異常，在井下實際施工過程中，該方向流出含有臭雞蛋味的水，且頂板異常視電阻率值相對較低，推斷頂板方向存在采空積水區(qū);在巷道15°～0°方向30～65 m之間存在相對低阻異常區(qū)，且順層方向異常范圍較大，推斷前方存在石墨的可能性較大。經后期礦方掘進驗證，探測結果與實際地質情況完全吻合。

3 結語

礦井瞬變電磁法在超前探測方面具有方便快捷、施工效率高、成本低、對空間要求不高等優(yōu)點，具備其他方法不可比擬的優(yōu)勢，同時能快速得出結果，極大地保證了掘進工作的進度。實踐證明，瞬變電磁超前探測在石墨礦防治水工作中應用效果明顯，在視電阻率圈出的低阻異常的基礎上，結合井下現(xiàn)場情況及水文地質情況，能較為準確地圈定出富水異常，為疏放水打鉆工作提供靶區(qū)，可作為石墨礦井下防治水工作的重要手段。