瞬變電磁法在煤礦地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

張 雷

（焦煤集團山煤國際鹿臺山煤業(yè)有限公司， 山西 沁水 048200）

瞬變電磁法在我國應(yīng)用已有20 多年的歷史，但在20 世紀(jì)90 年代初，瞬變電磁法才應(yīng)用于地下水勘探和煤礦水處理。經(jīng)過近10 年的發(fā)展，瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)勘查中得到了應(yīng)用，為煤礦水的防治提供了指導(dǎo)。

1 基本原理

礦井瞬變電磁法（礦井時域電磁法）：是一種基于電磁感應(yīng)的時域人工源電磁探測方法。它的原理是使用不接地的Tx（磁源）向道路空間發(fā)射一個脈沖磁場（通常稱為一次磁場），并將其穿過。在一次場閉合時刻，在導(dǎo)電性好的礦體中激發(fā)的感應(yīng)渦流是一個時間衰減的渦流場，它能激發(fā)出一個時變的感應(yīng)電磁場（俗稱二次場）[1]。由于這個時刻變化的感應(yīng)電磁場可以反映出各種各樣的地電信息，如導(dǎo)電性好的礦體的形狀、大小、位置、電導(dǎo)率等，利用接收線圈Rx 觀測脈沖磁場區(qū)間內(nèi)的二次場（或響應(yīng)場），將這些響應(yīng)的信息提取出來并加以分析，從而我們就能達到檢測地質(zhì)構(gòu)造的目的[2]。工作原理如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

依據(jù)接地的電極或者不接地的回線圈，瞬變電磁法進行波形電流的供給，在電磁場中，電流的發(fā)送供給不是一直持續(xù)存在的，相反，它是間歇性的。就是在這個時間間隔點，接線圈與地下的具有導(dǎo)電性能的導(dǎo)體相互感應(yīng)，進而形成二次渦流場。由于地下礦體地質(zhì)的導(dǎo)電性能參差不齊，所以我們就能知道被測區(qū)域大致構(gòu)造，能夠大體勾畫出地下的大致地質(zhì)情況，從而實現(xiàn)了勘探的基本要求。水作為一種導(dǎo)體，經(jīng)常威脅煤礦的安全生產(chǎn)，所以瞬變電磁法經(jīng)常被用于煤礦的水文地質(zhì)勘探工作中，同時對煤礦的防水、治水工程也做出了很大的貢獻。

2 瞬變電磁法在實踐中的分析

瞬變電磁法在礦山收集的數(shù)據(jù)具有發(fā)射線框、發(fā)射電流、接收線圈等因素的影響，所以必要的時候要進行一體化。收集資料的過程中，硬件設(shè)計已經(jīng)想到了壓制50 Hz 的干擾及隨機的干擾。然而這種壓制并不是那么徹底，還應(yīng)該通過軟件進一步去除噪音，然后再進行正演和反演的各種計算。在實際的工作環(huán)境中存在多種干擾源，井下設(shè)置的電纜以及鐵軌等均會產(chǎn)生一定影響，若想保證數(shù)據(jù)采集能夠順利完成，信噪比能夠大幅提升，使得電磁噪聲能夠真正得到實現(xiàn)，可對瞬變電磁探測儀予以充分利用。依據(jù)礦區(qū)電磁干擾的實際情況來對觀測數(shù)據(jù)展開全面分析后發(fā)現(xiàn)，對瞬變電磁信號展開預(yù)處理時可以選擇小波變換方法，如此能夠保證突變、干擾的區(qū)分切實達成，去噪效果更為理想。

瞬變電磁法的資料解釋是以勘測區(qū)的物體性能的差異作為基本的條件，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是資料的定性分析。在礦區(qū)，瞬變電磁勘探資料的解釋分為以下兩步：首先要采集和調(diào)查準(zhǔn)測區(qū)域已知的所有地質(zhì)資料，從而更好地掌握被測地區(qū)的底層特性、目標(biāo)層特性；然后做出實測點位的衰減時間曲線，從而分析視電阻率與時間的關(guān)系。

視電阻值的大小可以反應(yīng)被測深度的深淺，可以把相同的電阻值測量點準(zhǔn)確無誤的在平面上標(biāo)注出來，進而可以繪制被測區(qū)域的平面圖，這種方法可以反應(yīng)被測巖層的電性的一系列變化特征。然而在現(xiàn)實生活中，被測區(qū)域內(nèi)的煤層地層一般都不是一個水平狀態(tài)來呈現(xiàn)的，所以當(dāng)遇到這種情況的時候，繪制的平面圖就不能準(zhǔn)確的映射出煤層底板附近的巖層電性的一系列變化。所以，在已知地質(zhì)勘測資料足以能夠說明煤層底板等高線的情況下，計算被測區(qū)域每個點的視電阻率的反演值，并將計算的值與所測得的深度一同準(zhǔn)確的標(biāo)注在相匹配的被測點上，然后再畫出對應(yīng)的平面圖，就得到了一份完善的地質(zhì)勘探平面圖。這張圖能夠有效的反應(yīng)出被測區(qū)域是否存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常的區(qū)域，同時還能反應(yīng)出異常區(qū)域的視電阻值，如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法視電阻率等值線斷面圖

因此，在地質(zhì)勘探技術(shù)中，有效融入瞬變電磁法，能很好地反應(yīng)被測區(qū)域的各種地質(zhì)情況，并且還能有效預(yù)防煤礦的一些地質(zhì)災(zāi)害，為煤礦工人的生命安全以及國家的財產(chǎn)多了一份保障，在水文地質(zhì)勘探方面同樣有重要的價值和意義。

3 應(yīng)用實例

陜西某煤礦地表的海拔高度為29 m 左右，其中，主要可采煤層的地理標(biāo)高在-350 m 左右。該礦曾經(jīng)出現(xiàn)過透水事故，透水事故導(dǎo)致工作面被水淹沒，從而可以證明該礦煤層底板夾層水的分布不均勻，發(fā)育情況復(fù)雜，急需采取進一步的水文地質(zhì)情況的勘探和解析的研究工作，從而使該礦井的防水治水工程項目能夠順利的實現(xiàn)。在收集野外資料的過程中，根據(jù)理論探測精度的要求，在勘探區(qū)域的范圍內(nèi)按照20 m×50 m 的勘測網(wǎng)密度布置勘測網(wǎng)，發(fā)射的線圈采用550 m×550 m 的規(guī)格，供電的周期為75 ms，發(fā)射電流要超過11 A，電流的衰減范圍為8 ms 到8 μs。接收機采用100 μs，延遲收集時間。

通過觀察煤層底板砂巖周圍的視電阻率等值線，我們可以得到結(jié)論，低阻異常的位置位于勘測區(qū)域的東北部和中北部。推測該區(qū)域底板周圍的砂巖含水裂隙帶比較發(fā)育，除去F4 只有北部處于低阻區(qū)以外，其余5 個斷層都完全處在低阻異常區(qū)域范圍內(nèi)，因此我們可以推測出以下結(jié)論：該層位的所有斷層中F1、F2、F3、F5 為相對富水，斷層F4 則為局部相對富水。由于煤層底板的裂隙含水帶不斷發(fā)育，在巷道的掘進過程中，會出現(xiàn)局部地區(qū)的淋水以及底板的出水現(xiàn)象。在近處的斷層更加嚴(yán)重，巷道的低洼處時不時有積水。煤層底板砂巖的含水層是煤礦的直接充水含水層。在12 點到24 點周圍，朝著F4 的方位打出4 個探孔，探孔的出水量在每小時上百方，斷層F4 正處于上述所指出的異常區(qū)內(nèi)。

按照有疑必探的煤礦防治水原則，根據(jù)礦方提供已知資料，結(jié)合物探解釋結(jié)果，對巷道迎頭方向進行鉆探驗證，距離50 m 處鉆探見流水現(xiàn)象，在生產(chǎn)中采取疏通等安全措施，有效地保證了掘進工作面的安全生產(chǎn)。根據(jù)以上分析結(jié)果，可見礦井瞬變電磁法推斷異常積水區(qū)位置與鉆探揭露情況吻合，驗證了這種方法的有效性。與此同時，該煤礦在巷道掘進的過程中也證實了我們的推測，即異常區(qū)域確實存在于所圈定的范圍內(nèi)。所以在此次煤礦勘探實例中，運用瞬變電磁法圈定出了影響煤層采出的含水區(qū)域，這次勘探也為煤礦防水、治水工程提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)語

以陜西某煤礦透水事故為例，運用瞬變電磁法勘探該礦的煤層底板是否積水。勘測結(jié)果表明，煤礦瞬變電磁法測出該區(qū)域底板周圍的砂巖含水裂隙帶比較發(fā)育，除去F4 只有北部處于低阻區(qū)以外，其余5 個斷層都完全處在低阻異常區(qū)域范圍內(nèi)證明該礦煤層底板夾層水的分布不均勻，發(fā)育情況復(fù)雜。由此，我們可以得出結(jié)論，礦井瞬變電磁法作為一種探測手段，能夠很好地應(yīng)用于觀測礦井煤層底板附近的地質(zhì)構(gòu)造情況。綜上所述，在勘探深度合理的情況下，采用瞬變電磁法，可以達到不錯的導(dǎo)體反射能力，利用瞬變電磁法對斷層等根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果進行有效的探測和評價，做出聯(lián)合解釋，可以有效提高工作的準(zhǔn)確性和可靠性，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。由于水文勘探工作十分復(fù)雜，勘探人員有必要在總結(jié)已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加強新技術(shù)、新方法的研究，從而提高煤礦水文勘探水平。