瞬变电磁技术在矿井小窑破坏区内寻找煤炭资源中的应用

曹东升 白玉峰 徐伟

(山西大同煤矿集团有限责任公司云冈矿,山西大同 037001)

瞬变电磁技术在矿井小窑破坏区内寻找煤炭资源中的应用

曹东升 白玉峰 徐伟

(山西大同煤矿集团有限责任公司云冈矿,山西大同 037001)

瞬变电磁法是目前应用较广的矿井物探工作方法之一,该方法观测纯二次场,故分辨率高,可分辨出地下规模较小的不均匀体,尤其对低阻地质体反应灵敏。本文将瞬变电磁法用于云冈矿小窑破坏区的探测及范围圈定,取得良好的效果,为煤矿在小窑破坏区内寻找可采资源,延续矿井寿命提供了技术基础。

小窑破坏区 瞬变电磁 多测道剖面 视电阻率

1 引言

随着煤矿开采深度的不断加大，可采资源的不断枯竭，开采条件更加复杂，现在一些煤矿不得不在小窑破坏区内寻找资源，在此之中矿井水害是煤矿生产中地质灾害和制约煤矿安全生产的主要因素之一。近年来矿井突水、淹井等水害事故越来越频繁，如何防治并消除水患对煤矿生产安全的威胁已经成为地质工作者的重要任务。目前用于进行巷道超前探测导水构造及采空破坏区的矿井电法主要有矿井直流电测探法、音频电透视法和矿井瞬变电磁法，前两种方法受井下已有巷道长度大小限制，当井下巷道长度有限或工作面未完全贯通时，这两种方法将无法进行测量，而且施工工作量很大，浪费人力物力；而矿井瞬变电磁法测量不受井下巷道长度等因素的影响，并且施工方法简单，速度快，效率高，以其本身固有的优点而突出，为井下超前探测提供了良好的方法[1-3]。

2 矿用瞬变电磁法

瞬变电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，是一类非接触式的物探超前探测技术，是时间域电磁法的一种，它是利用不接地回线向地下或者井下采掘空间中的煤岩体发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈观测二次涡流场的方法[4-5]。在探测富水区的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是目前最有效的方法之一，其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性差异。正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当存在局部低阻异常体（裂隙带、富水区及小窑积水区等）时，在断面上就会出现局部低电阻率异常区[6]。

3 施工技术

本次矿井瞬变电磁物探工作使用的仪器为中国地质大学（武汉）高科资源探测仪器研究所生产的TEMHZ75矿用本安型瞬变电磁仪和TEMJF50矿用隔爆兼本安型瞬变电磁仪组合实现，采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数16匝，接收线圈匝数40匝。供电电流为50A，供电脉宽10ms，采样率4μS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

图1 工作面超前等视电阻率探测剖面图

4 应用实例及分析

图2 遇小窑巷道后修改设计平面图

同煤集团云冈矿是开采近40年的老矿，随着开采规模扩大，资源接近枯竭，为了缓解衔接紧张局面，加大资源回收利用，延续矿井服务年限，矿决定在小窑破坏区内寻找资源。其12#层410盘区据2011年中国矿业大学地表物探报告结果和小窑访查资料表明周边存在多个小窑采空破坏区，同层在开拓的过程中受老空水及小窑积水威胁十分严重，急须查明采空状况和赋水情况，以便于提前预报、准确疏放，合理部署，确保安全生产。

由于井下施工现场环境特殊，空间等条件有限，所以利用矿用瞬变电磁仪对云冈矿井下12#层410盘区51017巷掘进至距510-1回27米时在工作面进行了全方位的超前探测，根据多匝小回线发射电磁场的方向性，可认为线框平面的法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面对准工作面方向进行探测，便可反映采空区内部的地质异常。根据这个原理结合本次的探测目的，决定布置一条测线11个测点。通过在巷道掘进头移动发射接收线圈，形成一条掘进头超前探测的实测剖面。

从这个多测道剖面图上可以简单的分析出电性大致分布趋势，峰值越大表示该区域地下的导电性较好，视电阻率就越趋于小，相对显示低阻异常[7]。这是在后续的数据处理及异常区判断一个根据。

经过后期软件的相关计算可以得出每个测点的视电阻率值，然后用成图可以结合地质及水文地质情况直观地判断测区岩层的电性分布特点，形成一个工作面超前等视电阻率探测剖面图（具体见图1）。

图中不同的颜色表示不同的视电阻值，电阻率由低到高按照从冷色调到暖色调升高的规律分布。因此填充了不同颜色的该断面图可以更直观的判断探测区域顶板电阻率的分布情况。一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生大的变化。但如果岩石（煤）出现空区或者充水那么岩石的电阻率就会发生大的变化[7-8]。在图1中可以发现，在30米开外视电阻率分布较低，赋水性反应比较大，结合地质资料分析，表明可能有小窑采空区积水的存在。

于是我们根据物探结论给出的具体位置，采用不同方位长短探相结合的措施，进行加密探钻，结果有四个孔钻进到36-39米见空，再向前钻进3米后又见实体煤，且两孔有水和瓦斯，涌水量2-33/h，初步确定是小窑巷道，后矿制定专项贯通措施，排水300m3，进行贯通后，经实测为小窑巷道（具体位置见图2），巷道规格2.0*3米，西部还存在一条，该巷道一直延续1200多米，通往原408盘区东部，皮带巷保留皮带，充分证实了瞬变电磁法探测结果的准确性。

同时云冈矿也根据该小窑巷道的分布方式，对生产衔接进行了及时的更改，重新优化设计，南北布置工作面，缓解衔接紧张、产量吃紧的局面；通过该技术诊断指导，在小窑区可圈两个工作面，解放煤炭储量80万吨，可创造价值4.5亿元，经济利益特别显著。

5 结语

瞬变电磁仪数据采集劳动强度小，不受巷道长度限制，测量设备轻便，工作效率高，成本低，保证数据的质量、降低体积效应的影响、提高勘探分辨率。同时井下瞬变电磁法可以将线圈放置于巷道顶、底板测量，探测顶、底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；实际效果证明矿井瞬变电磁法为指导矿井安全生产、防止水害事故的发生提供了可靠的技术保障，在开采边角煤和小窑破坏区圈工作面，延续矿井寿命奠定的基础和开辟了先例，在煤矿防治水工作中具有广阔的应用前景。

[1]王齐仁.地下地质灾害地球物理探测研究进展[J].地球物理学进展,2004,19(3):497～5031.

[2]熊翥.我国物探技术的进步及展望[J].石油地球物理勘探,2004,39(2):237～2431.

[3]李金铭.电法勘探方法发展概况[J].物探与探,1996,4.

[4]蒋邦远.瞬变电磁法勘探[M].地质出版社,1998.

[5]牛之琏.时间域电磁法原理[M].中南工业大学出版社,1992,12.

[6]方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社,19931.

[7]李实,李创社,等.高性能瞬变电磁仪的研制及应用[J].物探与化探,2000,1.

[8]韩玉雪.瞬变电磁激发激化效应的利用[J].工程地球物理学报,2006(5)1.

曹东升,1970年2月生,山西应县人,中共党员,硕士研究生毕业,高级工程师,采矿工程专业,工作单位山西大同煤矿集团有限责任公司云冈矿。白玉峰,1974年8月生,山西坏仁人,本科在读,工程师,采矿工程专业,工作单位山西大同煤矿集团有限责任公司云冈矿。徐伟,1988年1月生,黑龙江大庆人,本科毕业,助理工程师,勘查技术与工程专业,工作单位山西大同煤矿集团有限责任公司云冈矿。