矿井偶极瞬变电磁技术的应用效果与改进

李惠云 赵玉辉

（1.中国煤炭建设协会，北京市朝阳区，100013；2.国家煤矿安全监察局行业管理司，北京市东城区，100713）

矿井偶极瞬变电磁技术的应用效果与改进

李惠云1赵玉辉2

（1.中国煤炭建设协会，北京市朝阳区，100013；2.国家煤矿安全监察局行业管理司，北京市东城区，100713）

介绍了矿井偶极瞬变电磁技术在煤矿水害防治方面的应用效果，如探测巷道掘进头前方富水区位置、圈定工作面回采时容易发生顶底板突水的区域、检验煤层底板注浆加固工程的质量等。分析了目前偶极瞬变电磁技术存在的问题及改进方向。

瞬变电磁 偶极 矿井水害 防治

矿井偶极瞬变电磁技术是当前煤矿防治水工作的一种先进技术，是贯彻落实执行 “物探先行”原则的重要手段，具有对富水区敏感、探测方向灵活、横向分辨率高等优点，可用于煤矿水害防治的多个方面，如探测巷道掘进头前方或侧帮的富水区位置、圈定工作面回采时容易发生顶底板突水的区域、检验煤层底板注浆加固工程的质量等，现场实践效果明显，为煤矿安全生产技术工作发挥了重要作用，但是也存在基础研究不足等问题，亟待研究与改进。

1 瞬变电磁技术的原理

矿井瞬变电磁技术一般是利用发射线圈向周围空间发射一次脉冲磁场，当发射电流突然断开 （脉冲结束）后，地下介质中就会激励起涡流场 （二次场），此二次场的大小及衰减速度等特性仅与地下介质特性有关，通过探测、接收并分析二次场的特征就可以了解地下介质 （目标体）的电性、产状等信息。常用的矿井瞬变电磁装置 （方法）有重叠式、中心式和偶极式。

2 矿井偶极瞬变电磁技术的工作方式

2.1 偶极瞬变电磁装置的分类

偶极瞬变电磁装置一般分为两种，顶、底板或侧帮探测时采用平行偶极方式，掘进头超前探测时采用同轴偶极方式，见图1。

2.2 井下工作方法

偶极装置施工时，发射线圈 （Tx）和接收线圈 （Rx）相距一定距离 （一般为10 m），Tx与Rx必须保持框面相互平行，中心轴线 （探测方向）对准目标体。

图1 偶极瞬变电磁装置方式

顶、底板或侧帮探测时，可以对巷道周围多个方向 （角度）进行探测，通过综合分析得出探测区域的赋水性信息。

掘进头超前探测时，依次使Tx和Rx的轴线同步对准巷道正前方或斜前方的多个方向进行数据采集，见图2，分析判断前方岩层的含水性。

图2 掘进头超前探测方向示意图

3 偶极瞬变电磁技术的应用

3.1 超前探测巷道掘进头前方富水区

图3为某巷道掘进头超前探测老空水实例。该巷道掘进过程中，地质调查得知前方存在多年前形成的小煤窑老空积水区，具体位置不清。本着有疑必探原则，在掘进头处实施了瞬变电磁超前探测。探测结论为掘进头前方73 m以远区域显示为低阻异常区，低阻区主要位于巷道左前方。

为保障巷道施工安全，结合周围水文地质资料分析，此处水压较小为0.2 MPa／cm2，可以在采取安全措施前提下钻探验证是否存在老空水。矿方朝巷道正前方打钻到75.2 m处出水，水质化验显示为老空水，证实了物探结论的准确性。

图3 超前探测老空水时巷道掘进头瞬变电磁超前探测视电阻率断面图

3.2 侧帮探测巷道周围岩层赋水性

图4为某回风巷侧帮探测老空积水巷道实例。矿方人员调查得知回风巷上帮附近多年前关闭的小煤窑严重越界，有一条近百米下山进入该矿并在下端掘进了一段平巷。小煤窑位于同一煤层的高处，其巷道及采空区内积聚大量老空水，对工作面回采存在巨大水患威胁。为查清老空积水巷道的位置和范围，在回风巷上帮利用偶极瞬变电磁法顺着煤层倾斜方向 （+28°）进行了探测。结果表明探测范围内存在明显的低阻异常区 （图4标尺为25～165 m段），其它地段为高阻区。物探最终结论是老空积水下山位于标尺142 m处附近、与回风巷斜距约33 m附近拐弯平走。矿方在物探结论指导下，在标尺40 m和142 m处往上帮低阻区内打钻，持续疏放15600 m3老空水，验证了物探结论的准确性。

图4 侧帮探测老空积水巷道瞬变电磁探测视电阻率断面图

3.3 圈定工作面回采时容易发生底板突水的区域

图5为某工作面准备回采时上副巷瞬变电磁勘探 （45°斜下探）结果。可以看出，上副巷标尺120～200 m段存在与深部连通的低阻异常区，其中180～200 m段低阻区距离煤层较近，且越往里端低阻区越往上延伸发展，物探结论为此段附近极易发生底板突水，应提前采取防治水措施。

在物探结论提交后第二天晚上，标尺197 m处发生底板突水，水量380 m3／h。该矿为小煤窑，设计总排水能力为300 m3／h，实际因一台水泵坏掉、排水能力只有150 m3／h，排水能力不足造成最终淹井。

图5 圈定工作面回采时底板易突水地段瞬变电磁探测视电阻率断面图

3.4 在煤层底板含水层注浆改造工程中的应用

利用井下偶极瞬变电磁技术可以在煤层底板含水层注浆改造工程实施前划分出底板岩层的相对贫富水区域，圈定改造重点地段，从而有的放矢布置钻孔、减少钻探和注浆工程量，并在注浆加固实施后检验改造工程的质量与效果，既确保工作面安全回采又节省了费用。

图6为某工作面中间巷瞬变电磁勘探 （45°斜下探）结果。探测时该面已经完成底板注浆改造工程，物探目的是检验加固工程的效果。物探结论为30～70 m段低阻区距离煤层较近，110～130 m段低阻区与深部存在沟通，加固改造不彻底，这两段低阻区附近在工作面回采时容易发生底板突水。2005年12月9日，回采到115 m处发生底板突水，突水量达2400 m3／h，造成淹面，综采设备报废。后经地面注浆堵水，一年后恢复生产。2007年9月20日，推进到68 m处附近再次发生底板突水，突水量达1680 m3／h，工作面再次被淹，损失上亿元。

图6 底板注浆改造工程瞬变电磁探测视电阻率断面图

4 矿井偶极瞬变电磁技术存在的问题与改进

矿井偶极瞬变电磁技术在实践中取得了显著的应用效果。与重叠或中心式瞬变电磁装置相比，它具有探测盲区小、应用灵活的优点，但也存在一定的问题，需要改进。

4.1 偶极瞬变电磁技术理论和基础研究严重缺乏

目前，矿井瞬变电磁技术的理论及应用研究绝大多数集中于重叠或中心装置，偶极装置研究较少。究其原因有两个方面，一是国内各厂家生产的防爆瞬变电磁仪器大多采用重叠或中心装置 （相对简单），只有国外仪器采用偶极装置，造成使用客户量偏少、研究人员受限；二是偶极装置本身应用方式灵活，影响探测效果的因素众多，尤其是水文地质异常体与偶极装置的相对位置 （纵、横向）关系复杂多样，这直接影响异常体的响应特征和探测结果的表现，关于这方面的研究需要从数值模拟、物理模拟、实测对比等多个方面进行总结，才能得出规律，这是一个复杂、工作量较大且耗费时间的工作，亟需认真研究，才能为实践应用保驾护航。

4.2 金属干扰的实用解决办法

偶极瞬变电磁技术的横向分辨率较高，但易受井下大块金属体干扰而影响探测准确性。要把金属干扰的影响尽可能降低，还需要做大量基础工作，如对各种金属干扰的物探响应特征进行系统研究（有人对重叠或中心装置的部分种类金属干扰进行了研究，但偶极装置的金属干扰研究仍是空白），总结规律，探索出科学、简便的干扰校正方法，才能更大地扩展井下瞬变电磁技术的适用性，提高解释准确率。

4.3 资料解释理论与方法的改进

当今矿井瞬变电磁 （包括偶极、重叠和中心各种装置方式）理论仍不成熟，资料解释软件各家各自为政、互有利弊，应用效果不令人满意，这需要全行业技术人员去除浮躁，专心思考，推进发展。

实践证明了偶极瞬变电磁技术中的同轴偶极超前探测方式的有效性和实用性，但存在解释出的低阻异常区范围偏大等缺点，需要对此技术加以完善，提高解释的准确率。

5 结语

矿井偶极瞬变电磁技术发展相对较晚，多方面亟需研究，因而也具有更多的切入点和突破可能性，随着瞬变电磁全空间理论研究的深入，它必将在煤矿的水害防治方面发挥更重要的作用。

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Application effect and improvement of technology of coal mine dipole transient electromagnetic

Li Huiyun1，Zhao Yuhui2
（1.China National Coal Construction Association，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Department of Industry Management，State Administration of Coal Mine Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China）

The paper introduces the application effect of mine dipole transient electromagnetic technology in prevention and control of coal mine water hazards，such as detecting the rich water area before the roadway tunneling；delineating the areas where the roof and floor water-inrush occurs easily during the mining；inspecting the grouting reinforcement engineering quality in coal seam floor，etc.And it analyzes the exsisting problems and improvement direction of the dipole transient electromagnetic technology.

transient electromagnetic，dipole，coal mine water disaster，prevention and control

P631.2

A

李惠云 （1971-），女，硕士研究生，现从事煤炭建设生产工作。

（责任编辑 张毅玲）