瞬變電磁技術在工作面底板探水中的應用分析

李云飛

摘要：作為煤礦安全生產工程的重要組成部分，防治水工作向來受到煤礦業界重視，近年來相關研究的大量涌現也能夠證明其重要性?；诖?，本文將簡單介紹瞬變電磁技術及其在煤礦防治水中的應用方法，并深入探討工作面底板探水中瞬變電磁技術的具體應用，希望研究內容能夠給相關從業人員以啟發。

關鍵詞：瞬變電磁技術；工作面底板探水；富水區；煤礦防治水

1.前言

瞬變電磁技術屬于一種時間域的人工源地球物理探測方法，具備探測速度快、便捷易操作、分辨率高、探測深度大、探測效果好、抗干擾能力強等優勢。為保證瞬變電磁技術較好服務于煤礦防治水工作，保證煤礦生產安全，正是本文圍繞瞬變電磁技術在工作面底板探水中應用開展具體研究的原因所在。

2.瞬變電磁技術及其在煤礦防治水中的應用方法

2.1基本原理

瞬變電磁技術簡稱TEM，該技術能夠利用不接地回線或接地電源線向地下發射不同頻率的脈沖電磁場，在脈沖電磁場下降時，一次感應渦流場（一次場）信號將隨之發生變化，同時一次場信號會向周圍空間擴散，通過地下導電介質的一次場會產生隨時間變化的電磁場二次感應渦流場（二次場），一次場、二次場屬于非穩電磁場，源于電磁場影響地質體產生的渦流，通過對隨時間變化產生的二次場信號規律，即可分析判斷地下巖層的導電性變化，地質體的不均勻分布情況也能夠由此明確，瞬變電磁技術因此能夠通過探測辨別低阻異常地質體。在高阻圍巖的低阻地質體尋找探測中，瞬變電磁技術的靈敏度極高，且能有效提高探測深度，同時具備探測速度快、便捷易操作、分辨率高、探測深度大、探測效果好、抗干擾能力強等優勢。但在瞬變電磁技術的具體應用中，大鐵器和生產用電很可能對瞬變電磁儀的應用造成影響，物探結果的可靠性可能降低，因此必須在全部關閉工作面生產用電后開展瞬變電磁勘探?；诘叵滤旧泶嬖诘奈镄圆町惢虻刭|結構，瞬變電磁技術可較好用于礦井防治水工作，如用于探查巖溶涌水通道、礦井充水水源、采空區等積水、不規則水體等地質問題[1]。

2.2應用方法

（1）超前測試工作原理。在煤礦防治水的瞬變電磁技術應用中，超前測試需要向坑道工作面發送回線上供一個電流脈沖方波，以此開展具體測試。考慮到地層的瞬變電磁場傳播主要形式為擴散形式，淺表附近主要集中高頻部分，傳播到坑道深處的較低頻部分擁有逐漸擴大的分布范圍，圖1為全空間瞬變電磁場電流擴散示意圖。

（2）超前探測布置及結果表達。瞬變電磁超前探測一般采用同心回線布置方式（基于邊長2m×2m的多匝小線框），以此適應坑道空間條件限制，該方式可實現較為簡單的迎頭數據采集。現階段主要存在扇形和形型兩種形式的觀測系統，具體的數據采集也可綜合應用兩種形式。以U型觀測系統為例，原點多選擇巷道迎頭立面中心，數據采集沿巷道左幫、迎頭和右幫進行，每個數據點進行3個方向的觀測，包括俯角45°底板方向、仰角45°頂板方向，并采用虛擬坐標方式進行數據處理，以此依次排放3個方向數據，形成統一電阻率剖面（左幫、順層、右幫），中間順層數據需在這一過程中得到重點關注，兩幫數據一般用于電性參數對比，巷道斷面寬度不等同于橫坐標；在全方位觀測系統的應用中，需結合扇形和U形兩種形式的觀測系統，以此對迎頭及左幫、右幫進行全方位采集，較大的數據采集量可為對比巷道迎頭空間數據提供便利，全面的地質認識也可更好獲得。在統一坐標成圖時，數據校正需基于兩幫支護條件差異進行，部分數據點稀少情況帶來的影響也不容忽視[3]。

（3）四斷面法超前探測布置。為保證煤礦防治水的瞬變電磁技術應用能夠發揮更為優秀的效果，需考慮測試范圍較大瞬變電磁超前常規布置存在的缺陷，如四周環境干擾影響較大、獲得數據存在問題，在判斷前方含水異常體空間范圍的過程中，3個斷面所能夠發揮的作用也較為有限。因此，可在坑道中心線位置增加測線，以此改進測試系統，數據采集需要由此沿巷道頂板至底板方向逐點進行，縱向垂直扇形剖面（坑道中心）可由此精準獲得。由于主線為坑道中心線迎頭數據，測試條件差異、兩幫金屬物體干擾帶來的影響即可大幅降低，且能夠更好地判定異常體的空間范圍，迎頭全面的空間信息自然可順利獲取。以坑道豎直剖面數據采集為例，該測試可將線框上仰45°開展，以此逐步將一定角度降低，直至俯角45°，垂直扇形剖面即可順利獲得?；诒M量密集布控的數據采集可更好地服務于地質解釋，而在四斷面法超前探測布置支持下，前方異常體水平位置判別由常規的3個剖面負責，前方異?？v向分布特征則能夠通過豎直剖面實現較高水平控制，結合某坑道掘進中受水害威脅嚴重的大水礦井進行分析可以發現，四斷面法超前探測布置可基于瞬變電磁四斷面法進行超前預報，礦井防治水技術措施制定可由此獲得依據，可見瞬變電磁技術能夠更好地服務于煤礦防治水工作開展[4]。

3.工作面底板探水中瞬變電磁技術的具體應用

3.1工程概況

為提升研究的實踐價值，本文以某低瓦斯礦井作為研究對象，該煤礦主采10#和11#煤層，擁有中等的水文地質條件。煤礦一盤區西側的1022工作面下鄰1042工作面（正在回采），上鄰1012工作面采空區，東鄰一盤區軌道上山保護煤柱，西鄰二盤區采區。1022工作面走向長、切眼長分別為684.7m、139.5m，煤層平均厚度、煤層厚度變化區間分別為3.6m、0.6m～8.6m。1022工作面存在底板太原組薄層灰巖水及頂板砂巖裂隙水的直接充水水源，以及奧陶系灰巖含水層、砂鍋窯砂巖含水層的間接充水水源。受發育不均的奧陶系灰巖巖溶裂隙影響，可能出現局部強富水，奧灰水突水可能性存在于構造發育區段。隔水層變薄區或奧灰水嚴重向上導升區段可能突出隔水層，導致奧灰水直接向礦井充水或補給太原組灰巖，水害事故可能因此發生。因此工程必須針對性治理奧陶系灰巖富水區域和構造區域，以此有效開展防治水工作。

3.2儀器選擇

為合理應用瞬變電磁技術，工程針對性開展了儀器選擇，選用的瞬變電磁儀為礦用增強型，具體型號為TEM-47，由加拿大GEONICS公司生產。作為礦用防爆型電磁法物探儀器，礦用增強型TEM-47瞬變電磁儀可用于煤塵、瓦斯爆炸等井下危險性環境，實現對導水層小構造和富水異常區的探索，在電子信息技術支持下，礦用增強型TEM-47瞬變電磁儀的探測精度和抗干擾性均較強。礦用增強型TEM-47瞬變電磁儀由信號接收探頭、脈沖發射線圈、主機組成。主機部分包括信號接收機與脈沖發射機，可進一步細分為FPGA控制部分、顯示屏、電源、發射器、控制機、轉換器，主要負責信號的采集、發射、接收，并同時實現實時信息顯示和操作界面提供。儀器系統的主控平臺由工作控制機與FPGA組成，整個儀器系統的數據信號接收、電磁信號發射、時間順序控制的信息實時顯示、同步數據采集與存儲可由此實現；發射控板與發射線圈組成發射機部分，負責發射電磁脈沖波用于瞬變電磁勘探；數據接收采集系統由配套電路部分、信號接收探頭與轉換器組成，可實現對高精度數據及信息的傳輸，即二次渦流場反應數據和信息。在采集數據信息完成后，數據信息可通過瞬變電磁儀初步處理，當前所測物探點電壓信息可基于顯示屏實時顯示，多物探測點的多測道圖、視電阻率值也可隨之實現實時顯示，瞬變電磁儀工作原理如圖2所示。

3.3物探布置及工程施工

基于1022工作面，瞬變電磁物探工程主要在軌道順槽和膠帶順槽進行，為應對條件惡劣、復雜的井下巷道工作面環境，提高探測精度，保證探測數據的準確形式，工程采用偶極布置方式開展瞬變電磁勘探，圖3為瞬變電磁偶極布置方式示意圖。

在瞬變電磁底板探測工作中，1022工作面共布置施工測線4條，分別為膠帶順槽底板垂探線、膠帶順槽內幫30°俯探線、軌道順槽底板垂探線、軌道順槽內幫30°俯探線，長度分別為550m、490m、490m，點距均為10m，實測物探點分別為55個、55個、49個、49個。膠帶順槽探線起測點為膠帶順槽開口向里60m處，實測物探點的設置間隔為10m，軌道順槽探線起測點為從切眼口向外60m處，實測物探點的設置間隔同樣為10m。工程共施測物探點和試驗測點215個，包括7個試驗測點、208個物探點。

3.4數據處理及成圖分析

在完成瞬變電磁勘探后，需采用專業軟件進行采集到數據資料的分析，需選用基于瞬變電磁法數據處理和解釋專門開發的軟件BETEM，該軟件具備高分辨率、高精度、操作簡便等特征，采用模塊式結構的軟件包，不同的功能模式可通過每個模塊獨立執行。歸一化的瞬變感應電壓屬于瞬變電磁勘探得到的觀測數據，各測線的原始數據可在數據采集完成后由接收機傳入計算機，初步整理后即可進行多項校正、轉換和正反演分析計算，BETEM軟件需在這一過程中充分發揮自身作用，以此進行時間向距離的轉換，并最終求得全空間視電阻率。由于施工方法正確、儀器選擇得當，試驗最終獲得了較為科學合理的施工參數，輔以良好的原始資料，研究獲得了1022工作面視電阻率值剖面圖與工作面富水異常區分布圖，地質勘探任務由此順利完成，圖4為1022工作面膠帶順槽內幫30°俯探線獲得的試驗結果。

綜合分析可以確定，共4個相對弱低阻異常區存在于視電阻率剖面圖中。向里390m～410m處（膠帶順槽起測點），35m以深為1#異常區范圍；向外30m～55m處（軌道順槽起測點），40m以深為2#異常區范圍；向外260m～280m處（軌道順槽起測點），45m以深為4#異常區范圍；向外260m～ 280m處（軌道順槽起測點），45m以深為4#異常區范圍，由此即可直觀了解富水異常區分布情況，更好指導煤礦生產，直流電法等物探手段存在的局限性問題可在瞬變電磁技術支持下順利解決，并同時有效分析探測工作面含水區域的情況，探放水鉆孔在巷道內布置的合理性可由此提升，探放水打鉆施工也能夠更為針對性的用于低阻異常區，鉆探精確度提高的探放水鉆孔可更好消除水害隱患，煤礦巷道施工安全、生產的安全性自然可得到更好保障。

4.結論

綜上所述，瞬變電磁技術在工作面底板探水中的應用價值較高。在此基礎上，本文涉及的基本原理、應用方法、儀器選擇、物探布置及工程施工、數據處理及成圖分析等內容，則提供了可行性較高的瞬變電磁技術應用路徑。為保證瞬變電磁技術更好地服務于煤礦防治水工作開展，四斷面法的合理應用、多方法之間的聯合反演與解釋研究同樣需要引起業界人士的重視。

參考文獻：

[1]王鵬程.水文地質對煤礦防治水工作的重要性[J].中外企業家， 2020（12）： 256.

[2]邸鵬飛.關于構建煤礦地測防治水技術管理體系的研究[J].當代化工研究， 2020（05）： 102-103.

[3]高鵬.試析煤礦地質與防治水工作結合的必要性[J].當代化工研究， 2020（04）： 16-17.

[4]張金輝.煤礦防治水工作中勘探方法的途徑研究[J].中國設備工程， 2018（18）： 212-213.