瞬变电磁仪在煤矿水文地质探测方面的应用研究

王卫光

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西阳泉 045000）

0 引言

煤矿突水是指在正常生产作业过程中突然发生的一定水量的涌出现象，通常会造成水灾事故[1]。突水是制约煤矿高效安全生产的自然因素之一。随着煤矿开采技术水平的提高，矿井开采深度持续增加，开采条件愈加复杂多变，突水、淹井等水害事故的发生愈加频繁。水害事故破坏力强、突发性强、受井下工作环境的影响，容易造成群体伤害事件，给人民的生命和财产造成重大的损失。为此，做好煤矿水文地质探测工作意义重大。

1 水文地质探测技术

用于煤矿水文地质探测常见的技术手段有：矿井直流电法、无线电透视法、音频电透视法、瑞利波法、矿井地质雷达、矿井瞬变电磁法、三极超前探、钻探等[2]。无线电波透视法、音频电透视法可用于探测采煤工作面内的低阻地质异常体。瑞利波法和矿井地质雷达可运用在超前探测方面，其方位定向性好、精度准确，有效探测距离较小（30 m以下），不适应现代化开采进度要求。矿井直流电法、音频电透视法都属于体积勘探法，容易受体积效应因素影响，且这两种方法方位性不好。音频电透视法用于探测采煤工作面内和煤层顶、底一定范围内的含水构造，但是受体积效应因素影响，不易定量，施工作业强度高、工作效率低下。矿井直流电法能用于探测底板、侧帮和前方一定范围内的含水地质构造，但受体积效应因素影响，方位性较差，探测距离偏小，探测结构不大理想。钻探，其探测范围小、成本高、工期长，还存在因钻孔失稳或意外，造成孔口阀门失效，引发突水事故的风险，有时候钻孔距离水体（如：老空水、岩溶水）只有几米也不能探出。

矿井瞬变电磁法是当前应用范围广的一种电法勘探技术。此方法观测的是二次场，能够较为直观的进行近区观测（能够使用重叠回线装置），对低阻含水体特灵敏、不易受体积效应的影响、纵横向分辨率高，而且施工作业方便、快捷、效率比较高。因此，在煤矿水文地质探测方面有很高的应用价值[3]。瞬变电磁法探测优点：高定向性（方位性）、高分辨率、有效探测距离大、适应性强、易于施工、效率高。

2 煤矿瞬变电磁仪探测原理

瞬变电磁法原理为：采用不接地回线或者接地线源向探测地面发送一次场，在其存在有效时间内，对地面下方介质的二次场测量电压同时间变化关系。二次场的强弱、衰减速度同地下质体有一定的关系。通过对二次场衰减情况，辨别地下质体特征。

瞬变电磁法的工作方法是：通过巷道中发射线圈向四周空间产生的一次场，使得岩体产生一定的感应电流，当发射线圈断电后，感应电流减弱，随时间推移而减小。感应电场生成的二次场会向下、向外扩散。这一过程，电场、磁场交替生成，扩散速率与岩体电阻有关，不同时间扩散情况不同。衰减过程分三阶段，即：早、中、晚阶段。早期阶段磁场类似高频，衰减迅速，涉及深度范围较小；晚期阶段磁场类似低频，衰减缓慢，涉及深度范围广泛。二次磁场向远处传播通过接收回线进行观测，经过测量各时间段内二次磁场随着时间变化的响应情况，能够得到不同深度的地电特性。

图1 地下感应电流环带分布图

如图1所示，电流中断前，发射电流在周围空间形成稳定磁场。在t=0时，电流中断，形成磁场瞬间消失。一次场的骤变通过周围空气、地面导电介质传导至回线周边，大地中生成感应磁场，以维持电流中断前的磁场。受介质欧姆损耗，感应电流衰减很快，而减弱的磁场有形成微弱的涡流，此过程一直延续，直至能量损耗完毕。

3 地球物理相应特性

通过电性分析，可得出如下结论：煤炭电阻率较大，其次砂岩，粘土类最差。由于煤层形成时代久远，其沉积序列清晰，其电性特征，纵向变化较为固定，横向较平稳。倘若探测区域构造没有水源，该区域导电性能微弱，但是电阻率较大。倘若探测区域构造有水源存在，该区域具有良好的导电性能，而电阻率相对偏低。通常低电阻率地域形成的二次场较强，衰减速度缓慢；而高电阻率地域与之相反，从而辨别地下质体属性。

4 煤矿瞬变电磁法特点

4.1 受巷道空间的影响

煤矿瞬变电磁法受矿井巷道断面空间限制，只能采用边长小于3 m的多匝回线装置，通常采用边长2 m的多匝回线装置，测量劳动强度低、测量设备携带方便、工作效率高、成本低廉。

4.2 运用小规模的回线装置

为确保测量数据的精确度，减小体积效应带来的干扰因素和不良影响。应对措施：提高勘探分辨率，其中横向分辨率较为突出，可在设置测量点时，在布设测量点时，控制点距，尽量使测点密集。

4.3 信噪比高

测量装置位于巷道，距离异常体更近，有效提高信噪比。

4.4 探测深度较大

通常探测结果有效解释可达到100 m左右。

4.5 探测范围广

在煤矿巷道进行探测时，线圈放置不同位置测量对象有所不同。探测底板水文地质情况时，只需把线圈放置在巷道底板即可；超前探测时，只需把线圈直立，框面和巷道掘进方向平行即可；探测工作面、顶板一定范围水文地质情况时，只需让线圈平行于巷道侧帮即可。

5 注意事项

在矿井巷道进行瞬变电磁法探测时，需要依据实际情况和需要改变发射线圈和接收线圈角度进行连续性观测，以获得较好的测量结果。在煤矿巷道有效空间布置测量装置时，线圈不能过大，可通过增加发射电流达到较大的探测范围。但是受井下安全因素的影响，发射电流不能过大。

6 小结

运用瞬变电磁法能够探测煤矿井下巷道迎头前方、侧前方、斜上、斜下等构造，测量方法简便、施工便捷、实用性强，值得在煤矿水文地质探测方面进行推广。

［1］黎勇，何松.瞬变电磁仪在矿山水文地质探测方面的应用［J］.大科技，2013（06）：205-206.

［2］游小鹰，谢如谦，刘贤龙.矿井瞬变电磁法在福建煤矿水害探测中的应用［J］.能源与环境，2012（04）：28-29+40.

［3］霍全明，王玉海，罗国平，等.瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用［M］.西安；西北工业大学出版社，1994.

［4］陈永新，李永军，李小明.瞬变电磁法在矿井水害超前探测中的应用［J］.华北科技学院学报，2008（01）：17-20.