瞬變電磁法在煤礦巷道超前探測中的應用

摘要：煤礦巷道掘進過程中或工作面掘進過程中的地質水文超前預報關系到煤礦采掘工程的安全質量。研究瞬變電磁法超前探測的工作原理、施工方法以及布置方式，并將其應用到煤礦的超前探測中，可以為礦井防治水害提供依據。以河北某煤礦巷道超前探測為例，介紹了瞬變電磁法在巷道超前探測中應用及效果。

關鍵詞：瞬變電磁法;巷道迎頭;超前探測;電阻率

中圖分類號：P631.325文獻標識碼：?A文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

在煤礦生產中最大的安全隱患是施工巷道前方遇到隱伏的含水、導水等不良地質構造，為了排除水災害隱患，通常是在巷道迎頭進行打鉆作業。雖然此方法的精準度較高，可是卻費工費時，還圈不出具體的富水區范圍，有很大的盲目性。瞬變電磁法是近幾年新興起的一種勘探手段，已經廣泛地應用于礦井生產中。由于此種方法觀測的是二次場，可近距離觀測，能靈敏地探測到低阻含水體、體積效應小、縱橫向分辨率高，且施工便捷、效率高等優點，可有效地探測到巷道周圍100m范圍內的賦水情況。從而提高煤礦安全生產效率，縮短巷道掘進所花費時間，節約成本。實踐結果得出，礦井瞬變電磁法能較好地探查出巷道前方的隱伏富水構造。

1 基本原理

瞬變電磁法是基于電磁感應原理，據此理論，礦井瞬變電磁法采用發射和接收兩個線圈。探測方向定為發射線圈平面的法線方向。在探測時要將線圈的法線方向正對巷道中待測的目標體，位置固定以后在發射線圈中通入階躍電流，而后瞬間關斷，發射回線中因電流突然變化而在其周圍產生磁場。該磁場稱作一次磁場，當其在傳播途中遇到導電良好的地質體時，就會在其內部激發感應電流，又稱作渦流或二次電流。由于導電地質體是非線性的，所以脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而渦流并不立即消失，在巷道圍巖中激發了以發射線圈法線方向為中心的渦旋感應電流場。在切斷電流后的任意晚期時間里，感應渦流呈多個層殼的環帶狀，隨著時間的延長，渦流場將向前及向外擴散，并逐漸變形為圓電流環。等效電流環表現為一系列與發送線圈同形狀的電流環，通常稱之為“煙圈”（如圖1所示）。因此，這種渦流瞬變過程，在空間形成相應的瞬變磁場，又稱為二次磁場。依據接收瞬變電磁場隨時間變化的規律，可探測出巷道前方巖層的電性變化與空間分布形態，實現超前探測的目的。

2 施工方法技術

井下瞬變電磁法基本上是由地面移植至井下，受井下測量環境的限制，相應的施工方法和測量參數需進行一定的改進。由于井下巷道超前探測過程處于全封閉空間中，并且井下巷道寬度有限，因此只能選擇邊長小于3m的小線圈。采用小線圈測量，點距更密，可降低體積效應，提高勘探的橫向分辨率。另外，通過井下具體實驗，回線匝數、時間序列、疊加次數、抑制系數等測量參數也需要合理選擇，具體的參數設置依不同地域和地質條件來設定。

在井下巷道進行瞬變電磁法超前探測時，需要清理掉巷道迎頭的雜物，巷道高度不得低于2m，保證距離巷道迎頭5m范圍內無較大的金屬體 （如掘進機械等），盡可能創造一個理想的探測環境。在巷道迎頭布置測點時，需要從右側開始，首先將天線法線垂直于巷道右側面進行測量，之后旋轉天線，確保天線的法線方向與巷道右側面的夾角以15°遞增;當天線旋轉至巷道的正面時，依據斷面的寬度來布置2～3測點;當天線再旋轉至巷道迎頭左側時，再將天線的法線方向與巷道右側面的夾角以15°遞增（如圖2所示）。這樣就能從不同的方位采集數據，進而將整個前方空間的信息都覆蓋進去。

在井下施工過程中，可以通過調整線圈與巷道頂、底板之間的角度改變線圈法線的指向，獲取不同方向上的地電信息。如果遇到特殊異常區段，可以適當地縮短點距、加密探測。探測示意圖如圖3所示。

3 應用實例

河北某礦井田為廣闊平原，被第四紀沖積層所掩覆，位于開平向斜東南翼南段。該礦12#煤層位于上石炭統趙各莊組中部，層傾角14°，復雜結構中厚煤層、平均厚度為2.5米。綜合所有水文資料分析，該礦井定性為水文條件極復雜礦井，發育有14個陷落柱，并且各煤層間有直接充水的含水層。2022工作面位于5～12煤層間砂巖裂隙承壓含水層與12～14煤層間砂巖裂隙承壓含水層這兩個含水層中，并且可能接受下部唐山組灰巖含水層的補給。所以，巷道掘進過程中受采動影響會出現大面積涌水。為了確保巷道掘進的安全性，對2022風道采用邊探邊掘法，就是利用瞬變電磁技術來查明煤層頂板、順層、及底板的賦水性。

本次勘探使用YCS40礦用瞬變電磁測深儀，采用多匝重疊小回線裝置，天線為2m×2m矩形線框，發射線圈10匝，接收線圈20匝，疊加次數64次，抑制系數1。為了查明前方含水情況，分三個方向進行探測，分別為向上30°（煤層頂板方向）、向下30°（煤層底板方向）、水平（順煤層方向），每一個探測方向布置14個測點（如圖2所示）。

三個方向探測結果顯示（如圖4所示），排除15米左右盲區，前方40～100m存在著較大范圍低阻異常區。根據以往探測結果和驗證情況分析，同時結合已知地質資料，推測頂板方向異常區是由上覆采空區積水影響，無明顯的賦含水構造存在;推測底板方向異常區范圍為12煤層底板強富水區，未有直接導通深部灰巖含水層的通道。為了驗證煤層底板的低阻異常區，在2022風道迎頭位置布置超前鉆孔，專門向低阻異常區鉆進，當鉆進至底板70米時鉆孔出水，水量較大，很好地驗證了瞬變電磁超前探測結果。

4 結語

通過實例，可以看出瞬變電磁法超前探測能夠適應目前礦井水文地質勘探工作要求。該方法可以有效地預測巷道掘進迎頭前方的含水異常區，能準確確定異常區的位置，同時工作效率高，施工簡單。應用該技術很大程度上保障了巷道的安全、快速掘進，但是需要較長的時間來關斷發射電流，導致近距離內存有探測盲區，同時井下探測時存有很多的干擾因素。要想在礦產領域能夠成熟地應用瞬變電磁法，還需要不斷地創新和完善。期望以后能夠對瞬變電磁法理論與資料處理展開深入地探究，進而更好地服務于礦井水文地質勘探。

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收稿日期：2019-07-05

作者簡介：郜宏偉（1984—），男，山西高平人，本科，地質工程師，主要從事煤礦井下物探工作。