矿井瞬变电磁全空间多匝小回线超前探水

张继忠　康　健　代少军　林井祥

(黑龙江科技大学矿业工程学院)



矿井瞬变电磁全空间多匝小回线超前探水

张继忠康健代少军林井祥

(黑龙江科技大学矿业工程学院)

摘要介绍了矿井瞬变电磁法全空间探测的基本原理，分析了其在水害超前探测中的地质效果、井下干扰影响因素以及多匝小回线工作装置参数设计，实现围岩与采空区的富水异常区探测，巷道超前隐伏导含水构造预测及含水陷落柱勘查等。现场应用表明：对物探圈定的疑似低阻异常区域经钻探验证，钻探结果与物探判断一致，说明瞬变电磁法地质解释成果准确可靠，可为矿井防治水工作提供有效的技术支持。

关键词矿井瞬变电磁法富水区域矿井水害超前探测

矿井水害为煤矿五大灾害之一，其影响程度仅次于瓦斯爆炸，排在第二位。我国煤矿开采深度平均每年增加10～20 m ，随着煤矿开采向深部下组煤的大规模开发，矿山压力、水压力增大，水文地质构造愈加复杂[1-3]；由于历史原因，部分地区小煤矿星罗密布，这些煤矿水文地质资料不清，安全意识淡薄，防治水工作基础薄弱。因此，坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，采用物探和钻探相结合的探测方法，超前查明矿井隐伏导含水构造和煤层顶底板围岩的富水情况是煤矿水害防治工作的关键[4-5]。矿井瞬变电磁法是目前地球物理探测领域应用前景广阔的一种新的物探方法，此法对低阻体反映敏感，在岩层富水性探测方面更具优势，具有超前探测距离较大，探测方向指向性好，施工方便快捷，劳动强度小等优点，可实现煤层顶底板岩层内部的富水异常区探测，巷道超前隐伏导含水构造预测和含水陷落柱勘查等。

1矿井瞬变电磁法特性和原理

1.1物理特性

煤系地层沉积及成岩是相对均匀、连续的，其导电性特征无论是沿地层垂深方向还是展布方向均具有固定变化规律[6-7]。如果煤系地层中存在地质构造，如断层、裂隙或陷落柱等，都将使其局部范围失去连续性和整体性，使得地层电性在垂深和地层展布方向上的变化规律发生改变。地层导电地质体在垂深和地层展布方向上的变化规律为矿井瞬变电磁法探测提供了充分的物性条件，也为矿井物探工作进行地质解释提供根本依据。

1.2方法的原理

矿井瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线向巷道全空间发送一次电磁场，并在一次电磁场间歇期间，用接收线圈观测由该脉冲电磁场产生的二次电磁场，通过分析二次电磁场的空间和时间分布，以解决地质问题的时间域电磁法。

在井下巷道空间中，矿井瞬变电磁法电磁场呈全空间分布。瞬变响应在布置回线两侧形成双“烟圈”，即双“烟圈效应”[8-10](图1)。这是探测接收到的信号自巷道全空间地质体电性的综合反映。受井下空间环境，如矿井轨道、高压电缆及小规模线框装置等的影响，井下的探测深度一定程度上受到限制，一般可以有效解释100 m左右。

图1　矿井瞬变电磁场全空间双“烟圈效应”示意

1.3多匝小回线特征

矿井瞬变电磁法采用小边长多匝回线线框装置，具有高效率、低成本、降低体积效应、提高分辨率和信噪比等优点。探测回线线框可置于巷道顶板或底板，也可置于巷道两帮，以探测其含水异常体在垂深和展布方向上变化规律。该法对高阻地层的穿透能力强，对低阻地层有较高的分辨能力。

2矿井瞬变电磁法实施

2.1工作装置

与地面瞬变电磁法相比，矿井瞬变电磁法无法采用地表探测时的大线圈装置，只能采用边长小于3 m的多匝小回线探测。根据不同的地质任务和井下工作环境条件，选择合适的回线边长与匝数，回线边长通常有1 m×1 m，1.5 m×1.5 m，2 m×2 m，回线在一定的范围内线框越小，其体积效应也越小，横向、纵向分辨率越高。发射线框(Tx)和接收线框(Rx)布置可根据探测位置不同采用同轴偶极和平行偶极布置，见图2。

2.2测点布置

井瞬变电磁法可实现巷道超前探测、顶板探测、巷道两帮探测和底板探测，可向巷道前后、左右、上下多角度扫描(图3)。巷道掘进工作面测点间距为1 m，测线间距为1 m；顶底板及两帮测点间距小于20 m，测线间距可按需要设置1 m或2 m，布置通常以能有效避开掘进工作面附近的金属干扰体、电缆、信号线为前提，并降低音噪等干扰因素，提高信噪比，保证原始数据可靠性，所以，前期准备工作是不可或缺的。

图2　瞬变电磁法工作装置布置

图3　矿井瞬变电磁法探测位置示意

3工程应用

3.1探测区域地质概况

鸡西矿区富阳煤矿4#层左2片平巷、3#层左1片平巷、右5平巷掘进工作面和左7片平巷掘进工作面均为矩形半煤岩巷道卧底掘进，顶板较完整。掘进过程中，出现淋水等情况。与该矿相邻的周边煤矿密集分布，且水文地质资料均不详。为探查井田范围内水文地质情况，保证煤矿正常安全生产，掌握巷道超前及围岩富水区域和隐伏地质构造展布，采用瞬变电磁法进行物理探测。

3.2探测仪器与工程布置

本次采用加拿大GEONICS公司的PROTEM-47HP瞬变电磁仪，该系统主要由两部分组成：信号发射装置(Tx)和信号接收装置(Rx)。发射机调节输出电流为1 A，发射频率为25 Hz，关断时间为139 μs，20门采集。发射线框与接收线框间距为10 m，发射线框尺寸为1 m×1 m，回线匝数为128匝，接收线框为1D线框。GEONICS系列仪器是目前国际上最先进的瞬变电磁专业仪器，其最大的优点是抗干扰能力强，精度高，尤其是关断时间短，这些优点使其具有较大的探测范围。

巷道超前探测由3条测线组成，测线间距为1 m,每条测线布置7个测点，测点间距为1 m，测线内测点沿巷道超前方向扫描形成探测区域，每条测线按不同角度进行探测。测线1沿巷道掘进头成10°俯角超前探测；测线2沿巷道掘进头正前方水平探测；测线3沿巷道掘进头成30°仰角超前探测。掘进工作面超前、两帮及顶板探测布置见图4。

图4　探测位置工程布置平剖面

3.3数据处理与分析解释

经室内原始数据的分析处理，运用BETEM专用软件，得到瞬变电磁探测视电阻率反演成像结果，见图5、图6。

图5中曲线为富水函数等值线，不同色界代表视电阻率相对高低，数值越小，视电阻率越低，富水性相对也越强。可知，4#层左2片平巷超前探测中，在巷道超前向60 m左右区域，有一条疑似隐急伏断层存在，断层附近低阻反映明显，该断层可能富水。3#层左1片平巷超前探测中，在巷道超前向110 m左右区域有低阻反映出现，存在疑似隐伏断层，断层附近低阻反映，该断层可能存在积水。右5平巷掘进头超前探测中，在巷道俯下前方110 m左右区域有疑似低阻体出现，综合分析该区域含水丰富。左7片平巷超前探测中，在巷道俯下前方左侧80 m左右区域有隐伏断层存在，断层内可能积水。右1运输石门超前探测中，在巷道正前方有疑似导水断层存在，前方110 m区域出现低阻异常。

由图6可看出，探测方向均为沿帮壁呈10°仰角， 4#层左2片平巷48～70 m、3#层左1片平巷60～110 m和右1片运输石门50～85 m的走向中部均存在低阻异常区，其中，4#层左2片平巷低阻异常反应区为上部采空区含水造成，3#层左1片平巷和右1片运输石门存在疑似隐伏断层，并具有导含水性，结合资料可以解释为断层裂隙水。

对判断疑似区域进行定向工程钻探验证，工作面均出现淋水或出水，验证了低阻区有一定的富水性。在掘进和回采中对异常区采取相应的安全措施，从而保证工作面的安全生产。

4结论

(1)矿井瞬变电磁法为全空间电磁响应。地层地质体在横向和垂向电性反映特征不同，回线匝数、工作装置布置方式、回线尺寸、井下环境干扰因素影响等使得矿井瞬变电磁法探测及数据解释较地面半空间探测要复杂得多。

(2)矿井瞬变电磁法在工程应用中，根据探测要求和现场空间环境，采用合理工作装置与组合，能实现多位置、多角度定向探测任务，提高探测工作效率和减小劳动强度。

(3)鸡西矿区富强煤矿掘进巷道帮壁和掘进工作面超前探测实践表明，矿井瞬变电磁法能够极好地发现水害异常区，并确定出异常区的位置和范围，判断导含水构造及隐伏断层，取得了明显的探测效果。

图5　沿巷道掘进头各条测线瞬变电磁探测视电阻率剖面

图6　不同巷道帮壁瞬变电磁探测视电阻率剖面

参考文献

[1]赵文署，刘军，李永军，等.瞬变电磁法在圪堆煤矿含(导)水构造超前探测中的应用[J].华北科技学院学报,2014,11(3):1-5.

[2]黄晓容.矿井瞬变电磁法在水害超前探测中的应用[J].矿业安全与环保，2013，40(3):77-79.

[3]李云波，李好.矿井瞬变电磁法富水体超前探测原理及应用研究[J].矿业安全与环保，2013，40(2)：69-72.

[4]程久龙，李飞，彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报，2014，39(8):1742-1750.

[5]胡雄武，张平松，严家平，等.矿井瞬变电磁超前探测视电阻率扩散叠加解释方法[J].煤炭学报，2014，39(5)：925-931.

[6]范涛，赵兆，吴海，等.矿井瞬变电磁多匝回线电感影响消除及曲线偏移研究[J].煤炭学报，2014，39(5)：932-940.

[7]武强.我国矿井水防控与资源化利用的研究进展问题和展望[J].煤炭学报，2014，39(5)：795-805.

[8]张军，赵莹，李萍，等.矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012，9(1)：49-53.

[9]陈善乐，汪华君，李雨成，等.基于瞬变电磁法探测工作面底板含水性研究[J].煤炭科学技术，2014，42(3)：96-98.

[10]杨建增，王心义.富水异常区超前探查的综合物探技术评价[J].河南理工大学学报：自然科学版，2013，32(2)：427-431.

(收稿日期2015-11-19)

张继忠(1976—)，男，讲师，150022 黑龙江省哈尔滨市松北区浦源路2468号。