礦井瞬變電磁法在超前探測采空積水區(qū)中的應(yīng)用研究

蘇彥龍

（河南省地球物理空間信息研究院，鄭州 450009）

我國西北地區(qū)的一些小型礦井，由于地質(zhì)資料不全，對礦井老巷以及采空區(qū)的分布狀況不了解，在生產(chǎn)過程中容易掘透采空區(qū)，從而發(fā)生礦井透水事故。目前，礦井防治水常用的物探方法有常規(guī)直流電法、音頻電透視法和瞬變電磁法等，其中瞬變電磁法具有施工成本低、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高以及與目標地質(zhì)體耦合性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于礦井掘進超前探測中[1]。

1 瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)

瞬變電磁法是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間域電磁法。其利用不接地回線向地下地質(zhì)體發(fā)送一次脈沖磁場，在一次場作用下，地下地質(zhì)體產(chǎn)生的感應(yīng)電流又將會激勵起隨時間變化的感應(yīng)電磁場，即二次場。在脈沖的間歇期間，利用回線接收感應(yīng)的二次場，通過對接收信號的處理、分析和解釋，從而達到探測地下地質(zhì)情況的目的[2]。

2 礦井瞬變電磁法的探查技術(shù)

（1）礦井瞬變電磁法的特點。礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收均在局部較封閉的空間中進行，發(fā)射與接收均采用多匝小回線裝置。小回線的優(yōu)點在于線圈輕便，發(fā)射與接收裝置擺放靈活，可以實現(xiàn)多方向和多角度探測，與巷道周圍的異常體易達到最佳耦合[3]。

（2）礦井瞬變電磁法的探查裝置。為了保證探測深度，可以選擇增大線框邊長、加大電流或者增加線框匝數(shù)等。在井下施工時發(fā)射電流不能過大，另外井下巷道內(nèi)空間有限，不能使用大邊框回線。增加發(fā)射線框匝數(shù)可以加大探測深度，但是一方面使得線框重量加重影響施工效率，另一方面線框匝數(shù)增多使得自感加重致使淺層探測盲區(qū)增大[4]。經(jīng)過多次井下試驗以及大量數(shù)值模擬，一般選用1.5m×1.5m的重疊回線多匝小線框（見圖1）。為了接收到更強的信號，接收線圈匝數(shù)要多于發(fā)射線框匝數(shù)。

圖1 探查裝置示意圖

（3）測點布置。在掘進巷道內(nèi)進行超前探測時，為了盡可能探測到不同方位的異常地質(zhì)體，經(jīng)過大量試驗和實際應(yīng)用，將超前探測的測點布置設(shè)計為扇形（見圖2）。

圖2 測點布置示意圖

超前探測發(fā)射線圈和接收線圈框面重疊，線圈軸線指向目標體。在超前探測中，線圈軸線方向分別指向巷道頂板、順掘進方向和巷道底板。線圈所在平面與巷道頂?shù)装宓膴A角需要根據(jù)探測目標與測點的相對位置及巖層傾角大小確定。依據(jù)瞬變電磁法中經(jīng)典的“煙圈效應(yīng)”，“煙圈”沿47°傾斜錐面擴散[5]。故每個測點按仰45°、順掘進方向和俯45°進行探測（見圖3），能夠最大程度上探查到要求探測范圍內(nèi)的異常地質(zhì)體。

圖3 探查方向示意圖

3 應(yīng)用實例

新疆昌吉某礦為整合升級改造礦井，地質(zhì)資料缺乏，礦井內(nèi)老巷以及采空區(qū)位置不明，為了巷道能夠安全掘進，運用礦井瞬變電磁法進行超前探測。

圖4至圖6分別為仰45°方向、順掘進方向和俯45°方向探測視電阻率斷面圖。圖中虛直線代表探測的方向，縱坐標和橫坐標代表探測距離。從圖上可以看到本次超前探測距離為100m，在近處20m范圍內(nèi)存在探測盲區(qū)。圖5中右偏60°、右偏45°、右偏30°和右側(cè)幫0m方向上視電阻率值較其他方向偏低，存在低阻異常。圖4和圖6中各個方向上未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常反應(yīng)。

圖4 仰45°方向探測視電阻率斷面圖

圖5 順掘進方向探測視電阻率斷面圖

圖6 俯45°方向探測視電阻率斷面圖

圖7為圖5對應(yīng)的視電阻率直方圖（縱坐標代表探測深度，橫坐標代表各個探測方向，0號點代表左側(cè)幫5m，10號點代表左側(cè)幫0m，從左到右以此類推），分析該圖發(fā)現(xiàn)從80號點（右偏60°）到110號點（右側(cè)幫0m）低阻異常逐漸增強，且低阻異常體距離巷道越來越近。因此推斷掘進巷道右側(cè)存在一條與掘進巷道走向近似的老巷，且老巷內(nèi)可能存在積水。礦方根據(jù)物探成果共設(shè)計了5個探水鉆孔，鉆孔方位見圖8。

圖7 順掘進方向探測視電阻率直方圖

圖8 5號鉆場鉆孔設(shè)計圖

根據(jù)各個鉆孔實際揭露的情況（見表1），發(fā)現(xiàn)礦井瞬變電磁法在探測礦井老巷以及采空區(qū)中效果顯著，對礦井安全施工具有重要指導(dǎo)意義。

表1 5號鉆場鉆孔施工成果一覽表

4 結(jié)論

（1）礦井瞬變電磁法橫向分辨率較高，進行超前探測測點布置時應(yīng)盡量多的增加測點，提高橫向分辨率。其縱向分辨率不高，對于采空積水區(qū)距離巷道的具體尺寸還需要借助鉆探揭露。

（2）采空積水區(qū)距離巷道掘進頭越近，視電阻率斷面圖上低電阻率值曲線扭曲越明顯。采空積水區(qū)面積越大，低阻異常范圍越大，電阻率值越低。

（3）礦井瞬變電磁法在礦井井下超前探測提前預(yù)報中的應(yīng)用可以有效的減少井下探放水鉆孔數(shù)量，提高施工效率，降低礦井生產(chǎn)成本，應(yīng)用前景良好。