瞬變電磁法在石墨礦采空區探查中的應用*

萬宏偉，崔江偉，王施智，黃大海

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

石墨由于特殊的性質，是傳統工業和戰略性新興產業所必須的礦物原料，廣泛應用于科技工程領域。近年來，隨著能耗單位對石墨資源的需求急劇攀升，石墨開采量也隨之增加，而在其開采過程中所面臨的安全問題便成為了最突出的問題[1-2]。礦區透水事故的不斷發生，給企業造成重大的人員傷亡和巨大的經濟損失。因此，在開采前期查明探測區內構造分布和地穿透高阻屏蔽層、對高阻屏蔽層下伏地層或構造有較好的分辨能力、對低阻含水體特別靈敏、施工方便高效等顯著的優點，廣泛應用在各大礦區[3-4]。從根本上預防礦區水災害的發生，為石墨礦的安全生產進行保駕護航。

1 礦井瞬變電磁基本原理

礦井瞬變電磁原理與地面瞬變電磁原理基本一致，都是遵循電磁感應定律。礦井瞬變電磁法利用發射線框通以一定電流，發射電流會在回線周圍建立一個穩定的一次電磁場，并在巷道周圍導電的巖礦體中產生感應電流。當發射線圈中的電流突然斷開時，一次磁場通過巷道內空氣以及周圍導電介質傳播到回線附近的圍巖中，并在圍巖中激發出感應電流，隨著時間推移，感應電流開始逐漸向外擴散，其強度逐漸減弱，分布趨于均勻。

由于礦井瞬變電磁法是在井下進行的，瞬變電磁場呈全空間分布，這時的瞬變響應為全空間響應[5-7]，其視電阻計算公式見式(1)。

(1)

式中：C—全空間響應系數；S—接收回線線圈面積；N—線圈匝數；t—二次場衰減時間；V/I—歸一化二次場電位值。

2 實例應用

2.1 礦區地層概況及電性特征

礦區內出露地層有石炭系上中統壺天群，二疊下統系棲霞組、當沖組，上統樂平組和長興階組等地層。各組(階)巖性、厚度見表1。

表1 石墨礦區地層巖性簡表

根據鉆孔、測井資料可得出本區巖層電性一覽表見表2，由表2可知石墨與周圍圍巖的電性特征比較，通常表現為低阻特征，而掘進迎頭賦水區的電性特征一般情況下也是低阻反應，因此不易對其進行區分。針對這種特殊情況可提出“一探多用”的探測方案，即將探測出的重點低阻體結合地質情況進行分析，疑問區再進行井下鉆探，對石墨區和賦水區分情況進行開采或疏通，這樣既能有效保證安全又能減少追索礦體所消耗的時間和資金。

表2 石墨礦區巖性電阻率統計表

2.2 儀器裝置及數據采集方式

本次探測采用的儀器為華虹智能YCS512礦用本安型，具有自動存儲功能、自動化程度高、穩定性好，高分辨率、高靈敏度等特點，如圖1所示。

圖1 YCS512礦井瞬變電磁儀器

根據井下巷道的實際空間條件，本次礦井瞬變電磁法探查裝置設計為1 m×1 m的多匝重疊回線，如圖2所示，發射線框和接受線圈分別為匝數不等，完全分離的2個獨立線圈，以便與探測方向前的異常體產生最佳的耦合響應。

圖2 測量裝置示意圖

井下實際探測時，要求巷道迎頭前方無碎石堆積物、無較大的金屬器械，以減少其對探測數據的影響。測點布設如圖3所示，即從巷道迎頭左幫開始，使發射和接收線圈的法線垂直巷道左幫進行測量，然后旋轉發射與接收線圈，依次將發射和接收線圈水平旋轉15°進行下一個測點測量。在多個角度采集數據盡可能得到完整的前方空間信息。

a-礦井瞬變電磁超前探測點布置示意圖；b-探測點周圍巷道分布圖圖3 礦井瞬變電磁觀測方式布置示意圖

2.3 資料解釋

資料的解釋推斷遵循從已知到未知、從簡單到復雜、從局部到全區的原則。充分分析和研究以往各種地質、水文地質、鉆孔等已知資料，統計各層電性參數，研究視電阻率與電性層的對應關系。根據視電阻率等值線在橫向上的變化規律及等值線的密集變化特征，并結合當地采掘情況，充分考慮各種復雜因素對觀測結果的影響，綜合分析，從定性到定量，反復進行，將電性成果轉化為地質成果。解釋的依據是：在等擬視電阻率斷面圖上，如果無采空積水存在，在橫向上視電阻率變化不大，相反，視電阻率曲線則會出現扭曲、變形，成條帶狀低阻凹陷，可以推斷采空積水的位置；若視電阻率曲線出現片狀低阻凹陷，可以推斷為石墨礦脈的位置如圖4所示。

圖4 掘進迎頭前方超前探資料解釋圖

由圖4看出巷道迎頭左幫15°～45°方向，縱坐標15～40 m位置視電阻曲線呈低阻凹陷，條帶狀分布；迎頭方向右幫45°～75°方向，縱坐標20～50 m位置視電阻率曲線整體偏低，片狀分布。總體來說，本次超前探共發現2處異常區，T1號異常在迎頭左幫15°～45°方向，縱坐標15～40 m位置，結合探測點周圍地質情況以及異常形態分布特征，推斷該異常為采空區積水所引起的電性反映，T2號異常在迎頭右幫45°～75°方向，縱坐標20～50 m位置，結合探測點周圍地質情況以及異常形態分布特征，推斷該異常為石墨礦脈的電性反映。

礦方在1號異常區布置一超前驗證鉆孔，鉆孔仰角為10°，前進到23 m時鉆孔出水；2號異常在掘進過程中發現一條石墨礦脈，探測結果得到較好地驗證。

3 結語

采用礦井瞬變電磁法在石墨礦中勘查，能基本查明老窯積水及石墨礦脈的空間分布位置，效果明顯，是一種高效、快捷的物探方法，能夠為石墨礦安全生產及煤礦發展提供技術支持，值得推廣應用。