矿井瞬变电磁法定向超前探测机理及方法研究

牛小军

河北省煤田地质局物测地质队,河北 邢台 054000

目前煤矿突水事故大多数是由于直接与附近老窑采空积水区打通或直接揭露隐伏的导含水构造而引起瞬间大量突水所致，造成了较大的经济损失，同时对煤矿工人的人身安全也带来了较大的威胁。因而，在巷道迎头掘进或采煤工作面开始回采之间查明其掘进或开采影响范围内是否存在隐伏的导含水构造或老窑采空积水区，提前采取治理措施成为矿井防治水工作的关键所在。目前煤矿防治水领域的探测主要包括直接法和间接法两类[1][2]，直接法常采用钻探实现，该技术具有结果直观、可靠等明显优点。间接法常采用矿井地球物理方法实现，目前矿井地球物理探测方法主要有：矿井直流电法、瑞雷波法、矿井地质雷达和矿井瞬变电磁法等。

本文研究矿井瞬变电磁法的基本理论与相关技术，首先在理论上对矿井瞬变电磁场的全空间分布特征和水平层状介质中低阻异常体的瞬变电磁响应特征进行了研究，在此基础上设计了井下全空间条件下多方向超前探测技术，该技术可快速有效的探测出掘进巷道正前方及其采动影响范围内是否存在赋含水构造异常或老窑采空积水区的空间方位。

1 矿井瞬变电磁超前探测的基本原理

在导磁率为μ、导电率为σ的巷道迎头上安放一个矩形天线，其面积为S，在天线中供以阶跃脉冲电流[3][4]

在t＜0时，也就是电流断开之前，发射电流在回线空间中形成一个比较稳定的磁场；如果将电流断开（既时），回线空间中的一次场会随即消失。磁场的变化会在围岩中产生二次场（如图1所示），在此过程存在的电磁场就是矿井瞬变电磁场。

图1 TEM探测方向示意图

矿井瞬变电磁超前探测一般在煤矿的采掘巷道内进行，其瞬变电磁探测装置接收回线中的感应电位是采掘巷道周围一定范围内所有介质的综合电性反映。所以，所采集的视电阻率值为迎头范围内全部岩层介质的综合电性反映，视电阻率按照以下公式[6-7]来计算：

式中：C为响应系数；S是接收线圈的面积；N指线圈的匝数；t是指二次场的衰减时间；V/I指的是接归一化后二次场的电位值。在巷道的迎头部位，通过线圈采集二次场随时间变化的感应电动势，就可以推测迎头附近介质的电磁性质在空间和时间上的变化规律，从而确定构造异常或富水异常的产状和发育的位置等。

图2 平行层理激发三层模型示意图

由于煤系地层成层分布，各岩层电阻率不同，矿井瞬变电磁法进行定向超前探测时，发射线圈平面垂直于层理面（地层界面），线圈法线方向（即探测方向）平行层理（图2所示），激发方向为平行层理。设计平行层理激发三层模型如图2所示，由上至下第一层顶板为高阻层，电阻率为500Ω·m；第二层电阻率100Ω·m，厚度80m；第三层底板为低阻层，电阻率10Ω·m。激发源距第一层与第二层分界面、第二层与第三层分界面均为40m。图3为利用2.5D时间域有限差分模拟算法得到的激发源位于第二层中间平行层理激发时三层地电断面各时刻瞬变电场等值线的分布图。由图可知，在整个扩散衰减过程中，最强感应电流密度中心始终位于激发源所在平面上，由于电性断面的非对称性，上下两个感应电流密度中心向外扩散速度不一致，高阻层一侧的电流密度中心扩散速度较快，很快扩散至高阻层中；而低阻层一侧的电流密度中心扩散速度较慢，衰减过程中，逐渐扩散至整个空间中，并最终占据主导地位。

图3 平行层理激发三层地电断面瞬变电场扩散图

通过对图2模型中各参数不同时的模拟计算分析可知，均匀全空间瞬变电磁场的扩散规律与均匀半空间不同，对于磁偶源激发的均匀全空间瞬变电磁场而言，最大电流密度区始终位于发射线圈所在平面上，瞬变电磁场以球形方式匀速向空间各个方向扩散，因而激发源附近接收线圈接收到的信号中不仅包含发射线圈前后介质的电性信息，还包含发射线圈所在面方向上介质的信息。平行层理激发条件下，最初时期瞬变电磁场仅分布于激发源所在层，低阻层对瞬变电磁场的分布尚未产生影响，随着时间的推移，瞬变电磁场开始扩散到低阻层，低阻层中感应的涡旋电流逐渐升高而后衰减，低阻层的衰减信息开始占据主导地位，源点处瞬变磁场响应曲线出现符号翻转现象，这种表现跟激发源所在层厚度以及所在层与低阻层的电性差异有关，所在层厚度越小，电性差异越大，表现越明显；早期瞬变电磁场的分布与低阻层厚度无关，当瞬变电磁场扩散至低阻层后，晚期阶段源点处瞬变磁场时间变化率的响应强度随低阻层厚度的增加而略微减小；源点处瞬变磁场的响应强度受地电断面成层分布的影响随激发源所在层厚度的增大而减小。瞬变电磁超前探测结果与激发源所在层的厚度、电阻率、源所在层外侧电性层厚度、电阻率有关系，激发源所在层厚度与超前探测距离的比值越大，其探测效果越接近于传统的垂直层理激发方式的探测效果，进而采用垂直层理激发方式下数据处理与解释方法，结果与真实情况越贴切。

平行层理激发过程中，感应电流密度中心分布倾向于低阻层，当感应电流密度中心移动到低阻层内部时，瞬变电场开始扩散到低阻层外侧电性层，并很快扩散至整个外层空间，与此同时，各电性层内瞬变电场分别沿层理方向上扩散衰减，电流密度中心拉伸逐渐变长，激发源前后介质逐渐影响瞬变电场的扩散，进而实现超前探测。

2 矿井瞬变电磁定向超前探测技术

由于井下空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射和接收线圈都不能使用太大的，只能使用匝束较多回线边长较小的发射和接收线圈（边长为2～3m）。在巷道迎头布置测点（图4），即在巷道迎头从左侧开始，首先使发射和接收线圈的法线方向与巷道的左侧面垂直进行探测，然后按一定角度旋转线圈，使线圈的法线方向和巷道的左侧面形成15°、30°、45°、60°，75°和90°的角度进行测量，当线圈法线的方向垂直迎头面时，据迎头面的实际宽度设置2～3个点，到迎头右侧时再使线圈旋转，使线圈的法线和巷道右面形成90°，75°、60°、45°、30°和15°的夹角实施测量。采用上述主法实现多角度数据采集，以获得尽可能完整的前方介质电性分布信息。

图4 测点水平布置示意图

在实际工作过程中对于图4中的每个发射点，可调整天线的法线与巷道底板的夹角大小，以探测巷道顶板、顺层和底板方向的围岩变化情况，探测方法如图5所示。这样可得到位于巷道迎头前方一个锥体范围内地层介质的电性变化情况如图6所示。

图5 定向超前探测剖面方向示意图

图6 定向超前探测体积置示意图

3 数据处理及显示方式

瞬变电磁超前探的资料解释方法和过程首先是对所采集数据中的噪音去除处理，依据公式（2）将瞬变电磁仪所测的电流值归一化后转换成不同时间值所对应的视电阻率的值，随后再实施时间和深度转换计算处理，得到的结果是每一条测线的视电阻率断面图。一般采用2种显示成果的方法：矩形成图方法是其中的一种，在图5中的每一个测点都可以看作是等间距分布在一条直线上的点，在视电阻率等值线图中测点标号作为横坐标（或者是相对于00度测点的距离），把探测深度作为纵坐标；扇形成图法是第2种显示方法，在图4中的每一个测点对应的视电阻率值展布在实际平面上，以扇形模式绘制视电阻率等值线图，把在迎头位置向正前方测量的距离（m）作为纵坐标、把图5中两侧00测点的测量距离加上迎头的宽度（m）作为横坐标，其中迎头的宽度可依据正前方测点的间距按照一定的比例放大。在定向超前探测结果中使用扇形方式显示可提高超前探测资料的解释精度，能更准确反映出异常体的空间特征。

4 应用实例分析

4.1 老窑采空积水区定向超前探测

山西长治王庄煤业有限责任公司附近小煤窑比较多，现在经过煤炭企业整合重组后小煤矿都已经停产关闭。由于缺少附近小煤矿的生产相关图件，特别是防治水方面的相关地质资料，为整合煤矿的后继生产带来了潜在的水灾安全隐患。为了查清老窑采空积水区的具体位置及其影响范围，山西长治王庄煤业有限责任公司采用矿井瞬变电磁定向超前探测技术在巷道掘进过程中进行跟踪超前探测。

图7为巷道掘进迎头按图4中方法所示沿煤层方向采用矿井瞬变电磁法定向超前探测的视电阻率等值线图。从图中可知巷道迎头前方55～90米范围内存在相对低阻异常区，巷道迎头左前方和右前方也存在低阻异常区。从已掌握的相关水文地质资料分析可知，该低阻异常区为老窑采空积水区的反应，其具体影响范围见图8中的阴影区域所示。

图7 顺层方向视电阻率等值线图

图8 超前探测成果示意图

图9 探测方向剖面示意图

该异常区域经矿方钻探验证，当钻探到巷道迎头正前方约48米时钻孔出水，水压、水量较大，经过多也钻孔和扩大孔径的方法历时一个多月时间放水量约12万m3。随后巷道继续向前掘进，揭露老窑废弃巷道位置如图8中黑色条带区域所示。

4.2 断层定向超前探测

冀中能源股份有限公司某掘进巷道前方存在一落差约30m的断层。为了给巷道的安全掘进提供相关技术资料，矿方要求采用矿井瞬变电磁法定向超前探测技术进一步确定F7断层的具体影响范围。在实际工作过程中对于图4中的每个发射点，调整天线的法线与巷道底板的夹角大小：15°，0°，-15°和-30°四个方向依次探测（如图9所示），以获得巷道迎头前方锥体范围内地层介质的电性情况，并由此进一步研究相关构造及含水性情况。

图10至13分别为在巷道掘进迎头处15°，0°，-15°和-30°四个方向探测的视电阻率等值线图。从图11中对应的视电阻率等值线分析可知，在沿探测方向（顺煤煤层）巷道迎头正前方约80m处出现有相对明显电性差异界面，根据已知地质资料可解释为探巷前方F7断层的边界反应。从其对应视电阻率值相对大小分析，可知F7断层赋含水性较弱或不含水。从图11、图12和图13中可知，视电阻率等值线的变化相对较为均匀，无明显的低阻异常扰动，说明在探测范围内没有明显的赋含水地质构造异常。

根据本次探测结果，巷道继续掘进过程中及时调整坡度方向，实现了断层上下两盘煤层的对接。图14为实际探巷素描剖面示意图，图中显示在探测迎头前方约78m即为F17断层边界，与探测结果基本吻合。

图10 迎头15度方向视电阻率等值线图

图11 迎头0度方向视电阻率等值线图

图12 迎头-15度方向视电阻率等值线图

图13 迎头-30度方向视电阻率等值线图

5 结语

矿井瞬变电磁法定向超前探测技术可快速查明巷道前方及其采动影响范围内不同方位的赋含水构造、老窑采空积水区。该方法也可精确查明采煤工作面顶、底板采动影响范围内不同空间位置隐伏导含水通道或局部富含水区域的具体影响范围，并对其富含水性进行定性评价，为煤矿的防治水工作提供相关技术资料，防止突水灾害事故的发生。

图14 实际探巷素描剖面示意图

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