瞬變電磁法成果多次疊加綜合解釋在礦井超前探測中的應用

匡鐵軍 劉務全 崔延雙

（大同煤礦集團有限責任公司云岡礦，山西大同037017）

0 引言

現有的科研成果和實踐經驗 已經證明，礦井瞬變電磁法可用于圈定巷道前方、頂板富水區、導（含）水斷層、采空區等低阻異常等[1]。數據處理和解釋的基礎理論研究尚處于發展階段，故在技術應用方面需謹慎[2]。近年來礦井瞬變電磁超前探測技術雖然取得快速的發展，但是許多技術環節仍然存在問題：井下全空間瞬變電磁場相應模擬過程中通常假設場源附近網格電性均勻分布，模擬初始給定的解析與實際不符；未考慮電流關斷時間的影響，而實際探測中采用的瞬變電磁儀器存在明顯的電流關斷效應，因此以往模擬瞬變場擴散規律及響應特征與實際情況存在一定差異。缺乏考慮礦井適應條件的高精度瞬變電磁儀器設備的支持，國內生產的瞬變電磁儀器大多從地面瞬變電磁儀器改裝而來，因瞬變電磁在地面和井下的勘查對象不同、探測環境的差異、且受防爆和本安的限制，多數瞬變儀器采集數據可靠性明顯不足，受原理本身限制，數據具有一定的體積效應，解釋成果圖往往對掘進前方低阻異常區域有不同程度的放大[3]，這在一定程度上給“有掘必探”超前鉆孔的設計帶來了一定的干擾，“物探先行”的效果不明顯，不利于“兩探”的緊密結合，影響巷道水害超前探測的精度，為此本文提出了采用多次瞬變超前物探解釋成果疊加的綜合解釋方法，根據成果的公共異常區，指導超前探孔的設計，達到降低體積效應的目的，探測結果與鉆探驗證情況基本吻合，取得了良好的應用效果，提高瞬變超前物探探測精度，為巷道的安全高效掘進提供可靠依據。

1 工程背景

云崗礦井田內和周邊存在煤礦30余座，51045巷所在的12#層410盤區西部礦界附近存在7座小煤窯，預計在資源整合之前，本區域遭到小窯不同程度的破壞，由于小窯開采具有隱蔽性、復雜性和長期性，使得采空范圍難以查清，積水情況不明，再加上該礦處于資源枯竭期，為了進一步回收儲量資源和保障銜接計劃，選擇在水文地質條件比較復雜的區域設計開采工作面。

1.1 工作面地質及水文地質概況

51045巷位于12#層410盤區西北部，該區域煤層厚度在2.5 m～4.1 m之間，平均3.0 m；直接頂為深灰砂質頁巖，有節理及滑面底含碳質，厚度平均2.3 m；老頂為灰白細砂巖，局部夾小層頁巖，含植物化石，厚度平均5.7 m；直接底為灰白色中砂巖，成分石英風化長石及少量的白云母，厚度平均11 m，該區域煤層賦存較好，構造發育簡單；同層北部為410-4盤區皮軌回盤區巷，南部存在12#層小窯破壞區（2005年11月訪查），西部為礦界，東部為本礦采空區，根據地質報告、資料追溯、地面調查、小窯巡查資料分析，預計南部和西部存在小窯破壞區，根據地質鉆孔和煤層底板等高線預測，掘進前方為向斜構造，是良好的儲水構造。巷道掘進到這個區域附近，必須對小窯破壞區和向斜足夠重視。

2 井下施工方法技術

2.1 工作裝置

本礦探測采用華安奧特（北京）科技股份有限公司研制的YCS系列礦用本安型瞬變電磁儀，采用中心回線裝置即發射線圈采用2.0 m×2.0 m的的多匝小線圈，接收線圈為直徑為1 m的圓形線圈，接收線圈放在發射回線中心，發射線圈和接收線圈沿固定測線同步移動的裝置，這種裝置的優點是礦井瞬變電磁法具有對低阻異常體反應靈敏、方向性強、工作效率高和成本低等優點，在礦井水害防治中取得了良好的應用效果，缺點是存在發射線圈和接收線圈自感互感現象，在探測方向淺部形成一定范圍的盲區。

2.2 測點設計

本次井下瞬變電磁法勘探布置三條測線，礦井瞬變電磁法探測時，調整發射線圈法線與巷道頂底板的夾角已達到探測巷道頂板、底板和巷道正前方等多個方向探測的目的，如圖1所示夾角通常分別為90°、45°、-45°，數據采集布置三條測線，布置方式為扇形，扇形布置通常能有效避開現場金屬體干擾，是井下數據采集最有效最常用的布置方式，如圖2所示每條測線包含11個物理點，對前方180°的范圍內10等分，每次采集數據時，發射和接收線圈旋轉18°，探測方式是使發射線圈和接收線框的法線方向垂直于巷道左幫開始進行探測，然后在水平面內旋轉線框10次，使線框的法線方向從巷道左幫每隔18°旋轉到垂直巷道右幫為止，形成一個橫向的扇形測線。可以得到三條礦井瞬變電磁法超前探測實測剖面。

圖1瞬變電磁測線布置

圖2測線布置方式（正視）

2.3 井下干擾情況及處理技術

井下實際探測結果分析對比結果表明，巷道內的掘進機、軌道、錨索、錨桿、錨網、鋼梁、鉆機、鉆桿、皮帶支架、電纜對瞬變電磁超前物探探測結果有很大的影響，他們在瞬變電磁中時一種低阻響應，但井下掘進頭的各種金屬制品的影響在測線方向上是一致的，可作為一種背景異常進行校正[4]，特別是巷里的掘進機，對瞬變電磁的響應最大，在采集數據時要掘進機后退至距離掘進頭20 m以外的地方，以減少其對瞬變電磁場的影響，在保證施工空間的基礎上，切斷電源進行井下數據采集，保證數據采集質量以免采集數據質量較差、幅值波動、數據點數值畸變，影響探測成圖效果及異常分辨[5]。

2.4 體積效應影響規律

根據埋深與異常體體積效應沿測線方向有效距離的變化，可在平面直角坐標系得到埋深與異常體體積效應沿測線方向有效距離的函數關系曲線，擬合多項式可以得到埋深與異常體體積效應距離的關系式：

Y=-1.1786+1.654x-0.0068x2

函數關系曲線如圖3所示，隨著異常體厚度增加，體積效應的有效距離在減小，只是減小的幅度不大；異常體體積效應的有效距離并沒有隨埋深的增加而增加，而是在埋深120 m時，達到最大值99 m，當埋深大于120 m時，體積效應的有效距離隨著埋深的增大而減小[6]。但具體的影響規律目前研究較少，只是基于瞬變電磁原理的基礎上和單次試驗的基礎上，認為瞬變電磁法的體積效應會使異常區的邊界范圍變大。

圖3埋深與異常體體積效應距離的關系

3 創新綜合解釋

由于本區域臨近礦界，煤層賦存好，地質構造簡單，懷疑有小煤窯越界開采，加之掘進前方為一向斜構造，水文地質條件比較復雜，需要對掘進區域內老空水的位置、分布范圍及其積水富水性進行勘查。51045巷井下瞬變超前物探，在布置3條測線的基礎上，對同層正前方的瞬變電磁超前探測采取多次疊加數據采集、處理、綜合解釋的創新物探施工方法，數據處理完成后對6條實測剖面進行公共異常區疊加解釋，縮小異常區邊界范圍，從而在某種程度上降低瞬變電磁體積效應，降低成果解釋的多解性。

3.1 工作前儀器試驗工作

根據本區特點及瞬變電磁法的要求，試驗工作包括以下內容：

1）儀器參數的試驗：以單點試驗為主，包括發射電流、關斷時間等，通過調制不同參數，綜合對比，反演探測深度確定超前距離并利用一次場關斷時間，計算盲區大小。

2）方法有效性試驗：在已知采空或積水區域布置一條測線，通過對試驗線分析解釋，比較解釋結果與已知的地質資料吻合情況，確定方法的有效性，繼而調整儀器參數，達到最佳探測效果。通過儀器測試和地質鉆孔的測井資料，有效掌握該礦地電特征。

3）在同一點位使用相同儀器，采用同一參數進行反復觀測，計算兩組采樣數據的相對均方誤差以分析儀器的穩定性。通過試驗及計算，計算儀器采樣數據總均方相對誤差，其誤差小于5%方能滿足井下工作。

3.2 綜合解釋流程

首先對工作面迎頭正前方數據采集6次，數據處理分析后形成6條超前探測的實測剖面，如圖3所示將每條剖面異常區都繪制到采掘工程平面圖上，然后根據異常區域的重疊部分，進一步劃分異常邊界范圍，在物探成果的基礎上，靶向設計超前鉆孔；巷道再向前掘進10 m后，重新采集數據處理解釋，由于單次超前探測范圍和成果在前方70 m～100 m范圍內，前后幾次的物探成果可以進行橫向和縱向對比分析，分析現掘進頭6次實測剖面物探成果的公共異常區，確定物探異常邊界范圍，再結合10 m、20 m、30 m等之前6次物探成果的公共異常區，精確劃分邊界范圍，降低物探解釋工作的多解性[7]，在51045巷掘進期間共采集數據130余次，由于篇幅限制，以51045巷3#測點處物探成果和3#測點里10 m處同層瞬變電磁超前探為例，如圖4所示在3#測點處對正前方進行瞬變超前物探，6次成果異常區分別為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6，6處異常區存在公共部分，如圖5所示。集中在公共異常區域處設計超前鉆孔進行驗證，在“有掘必探”設計的基礎上，加密施工2個鉆孔，全部探通，有少量積水和氣體，如圖6所示。3#測點鉆孔氣體和水患消除后，繼續向前掘進10 m后，向正前方施工瞬變超前物探6次，對3#測點和3#號測點里10 m處6次疊加瞬變電磁公共異常區進行驗證（如圖7所示）。具體的施工流程圖（如圖8所示）。

圖4 3#測點正前方物探異常區

圖5 3#測點正前方物探公共異常區域

圖6公共異常區域超前鉆孔驗證

圖7 3#測點前后物探公共異常區對比驗證

圖8瞬變電磁多次疊加超前探測施工流程圖

4 結論

采用物探成果多次疊加綜合解釋優點提高了物探成果的準確性，降低了物探解釋的多解性，驗證了使用儀器的一致性，從實踐的角度上說降低了瞬變電磁體積效應的影響程度，精確劃分物探異常區邊界范圍，為超前鉆探設計提供可靠依據，采用物探成果疊加的綜合解釋方式的探測結果與超前鉆探驗證情況基本一直，取得了良好的應用效果，為煤礦安全生產提供有效保障；缺點就是增加了數據采集的工作量，但多數井下瞬變儀器具有輕便、操作簡便的特點，增加的工作量可以忽略不計。從事煤礦井下物探工作，需要我們充分掌握礦井水文地質條件，區域煤巖層地電特征，才能讓物探成果更好的服務于煤礦。