矿井瞬变电磁技术在地质探测中的应用

王涛

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.山西省地球物理化学勘查院，山西运城044000）

矿井瞬变电磁技术在地质探测中的应用

王涛

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.山西省地球物理化学勘查院，山西运城044000）

详细介绍矿井瞬变电磁探测的条件与特点,阐述矿井瞬变电磁探测技术原理，论述矿井瞬变电磁法的施工方法,并进行实例分析。

矿井；瞬变电磁；地质探测；应用

引言

煤矿覆岩破坏参数一直是矿井预留防水煤柱的重要依据，它对改善煤炭资源回收率、保障矿井安全发挥了重大作用。为得到矿井覆岩资料，为矿井合理化布置提供安全保障和依据，在巷道施工前最好使用矿井瞬变电磁技术进行地质探测，最后为生产管理提供较好的参数。

1 矿井瞬变电磁探测的条件与特点

就物件岩性差异来看：通常从粉砂岩、泥岩、粗砂岩、中砂岩、砾岩再变成灰岩、煤岩，电阻率逐渐增加。灰岩、煤岩和其他岩层相比，属于高电阻率的阻层，如果岩层含水，含水率增加时，电阻率就会降低，所以岩层电阻率变化除了与岩性自身有关，含水性也发挥了决定性作用。在灰岩等各种高阻地层中，地层含水更多的是低电阻率[1]。

受井下工作环境影响，地面瞬变电磁法、矿井瞬变电磁法与其他矿井物探法有着本质区别，具体有以下特点：

受井下巷道施工区域影响，根本不可能使用地表测量中的大线圈进行，只得使用边长低于3m的小线框。和地面瞬变电磁法进行比较，它具有成本低廉、工作效率高、设备轻便等优势，可以用于其他难以进行施工的巷道。

因为使用小线圈进行测量，点距在2～20m间，横向分辨更好，体积效应更低，外加测量装置和目标相近，对异常的信号感应更强，所以拥有良好的探测力[2]。

矿井瞬变电磁法依然面临着电磁分布问题，由于煤层一般为高阻，容易通过电磁波，在TEM中，煤层没有隐蔽功能，所以TEM得到的信号是全空间岩石的综合体现。但是可以通过电磁传播方向、小线矿体等特点，在改变线框方向的同时，对空间位置与异常情况进行判别。

2 矿井瞬变电磁探测技术原理

瞬变电磁法属于时间区域的电磁感应方法，探测原理是借助回线发送电流脉冲方波，沿着下降趋势，产生回线磁场，根据磁场的激励作用，产生一定的涡流，涡流的大小由地质体导电决定，一次消失之后，涡流不会马上消失，而是呈现出过渡过程。在过渡期间，又会出现衰减的磁场不断向掌子面传递，二次磁场由回线接收，二次磁场的转变也说明了地质体分布状态。如：结合不同的延迟时间，对二次感生电动势进行测量，得到二次磁场随时间变化的曲线。对于无良导体的情况，会立即得到衰减过渡；有良导体时，因为切断电源，会产生难以维持的一次切断，过渡衰减也会随之稍缓，最后发现内部导体[3]。

在大地上，瞬变电磁场更多的是以扩散的方式传播，由于电磁能量直接作用于导电介质而消耗。受趋肤效应影响，更多几种高频在地表，分布范围则是局部，和低频区域相比，逐渐扩充分布范围。

3 矿井瞬变电磁法的施工方法

受巷道区域影响，装置通常使用小回线进行，线圈的边长在2～3m间，在增加线圈数的同时增加接受面积与磁距，进而满足探测深度要求。线圈法线可以看成探测的方向，井下施工中，通过调整巷道顶、线圈、底板角度，改变法线指向，最终得到不同方向的地电方向（如图1所示）。

图1 矿井瞬变电磁测点布置和探测区域

在井下探测中，结合测量要求确立测距，根据要求对异常区段进行加密，发射线与接收线的数量不等，线框对准探测方向，然后再结合巷道与探测任务，对线框大小进行改变；或者结合探测深度，让线框与瞬变电磁仪相接，最终实现数据自动记录、收集与存储。

在本次探测点距中，间距为0.5m，为了能从巷道内部探测工作面板富水区域，使用多匝线圈（如图2所示）；接收线框与发射线框使用完全分离、匝数不等的独立线框，方便和地下异常体进行耦合。测线通常设置在巷道迎头。

图2 矿井瞬变电磁探测方向

4 实例分析

4.1 实例概述

在工作布置上，风巷迎头从A3点前方16m进行掘进，自迎头着手瞬变电磁法探测。这种方式属于非接触探测，线圈方向就是探测方向，所以探测现场快捷便利，通过线圈接收与发射就能得到对应的数据。每0.3m会设置测点，对底板、顺层与顶板进行测量，并且探查前方电性、右侧迎头情况，现场需要设置16点。探测现场时，对迎头后方的铁器、杂物进行清理，同时做好停电处理，以减小数据影响。从地质调查反馈的信息来看：迎道后方2.5m的区域应该设置少量渗水，3.5～8m处的迎头顶板有淋水，从巷道右方到后方一直有链板机。

4.2 数据处理

瞬变电磁法的数据处理是把回线组合成不同时间能够感应的电位函数，说明地下导电电性分布规律，然后再结合换算时间与电阻率曲线说明电性介质的位置深度，并且对不同时间内的导电介质进行说明，处理过程包含核心和预处理两种情况，预处理是得到有效感应曲线的方式，核心处理会得到恰当的电阻率预测数据。矿井瞬变电磁法和地面瞬变电磁法一样，电阻率定义和地面有很多相似的地方。矿井内部的多匝小回线路装置中，大多使用的是晚期、早期的电阻率换算形式，晚期电阻率依然使用半空间晚期计算方式[4]。

数据处理和分析包含：三防数据拆分、建立坐标、数据预处理、计算电阻率、整理水文资料、确立电阻率等。把现场得到的瞬变电磁探测二次场衰减数据利用相关软件处理成晚期视电阻率剖面，结合电阻率成像进行标识。其中高电阻率值为暖色调，低电阻率值为蓝绿色，从冷向暖色调过渡。

在风巷瞬变电磁探测中，剖面分别是巷道顶板、顺层与底板方向分布情况。就剖面可以得出本次探测电阻率的阻值较高，它在0-60范围，根据测区地质特性与探测经验，小于10区域被定义成低阻异常区。从瞬变电磁探测特性来看：一直存在10m盲区。

顶板视电阻率剖面：体现了顶板方向往岩体电性的变化，巷道迎头的10～50m内明显超过50～100m区域，并且巷道前边有明显的低阻异常带。就顶板地质状态来看：巷道顶端有较厚的砂岩，并且缝隙有发育的可能性，所以该低阻异常区域的富水性有明显的提高，存在淋水的情况。

底板视电阻率剖面更多反映为倾向底板岩层与剩余煤层。说明10～70m范围内的高阻分布相对较广，同时在该范围存在低阻值，没有特别明显的低阻异常区域。就地质环境来看：受煤层倾斜影响，勘探体积受煤层的影响很大，底部以砂质泥岩为主，所以推断该领域的富水性不大[5]。

顺层视电阻率剖面：它说明了前方迎头的电性变化，说明顶板剖面与顺层剖面相似，10～50m区域明显大于50～100m范围，顺层剖面右方阻值相对较小。通过对地质环境的分析，可以得出两处异常是由富水性与岩性造成。

5 结语

瞬变电磁能探测深度较大的区域，具有地质效果好、效率高、施工便利等特点，能适应矿井水文地质勘探工作。将瞬变电磁法应用到巷道超前探测中能很好地发挥作用，尤其是狭小迎头空间与数据采集，并且不对巷道掘进构成影响。当然也应该看到瞬变电磁法的成熟应用，只有不断探索研究，才能推进矿井水文地质工作发展。

[1]梁庆华.矿井全空间小线圈瞬变电磁探测技术及应用研究[D].长沙:中南大学,2012.

[2]高士银.瞬变电磁技术在矿井超前地质探测中的应用[D].北京:中国地质大学,2012.

[3]李明星,程久龙,王玉和,等.矿井瞬变电磁超前探测地质异常三维可视化[J].煤矿安全,2011(11):61-64.

[4]刘耀宁.金属干扰环境下矿井瞬变电磁技术应用效果研究[D].徐州:中国矿业大学,2014.

[5]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(3):77-79;83.

（编辑：贾娟）

App lication of Transient Electromagnetic M ethod in Geological Exp loration

W ang Tao
(1.School of M ines of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Shanxi Province Geophysical and Geochem ical Exploration Institute,Yuncheng Shanxi033000)

This paper introduces themine transientelectromagnetic detection conditions and characteristics,expounds principle ofmine transient electromagnetic detection technology,discusses the construction method,mine transient electromagnetic method and instance analysis.

coalmine;transientelectromagneticmethod;geological exploration;application

P631

A

2095-0748(2016)16-0060-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.26

2016-07-05

王涛（1984—），男，山西运城人，毕业于燕山大学自动化专业，助理工程师，现就职于山西省地球物理化学勘查院综合物探公司，主要从事地球物理勘探工作。