瞬变电磁超前探测技术在巷道掘进中的应用

崔江宏

(长治市高原综合勘探工程有限公司，山西长治046000）

1 瞬变电磁法概述

瞬变电磁法是一种时间域电磁感应方法，是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起涡流场的问题。如图1、图2所示，它的工作原理是利用不接地回线或接地线源作为发射回线，供给发射线圈一个电流脉冲波形，脉冲后沿下降的瞬间，会形成向地面下传播的瞬变一次磁场。地下埋藏的导电体在这个一次磁场的激励下将会产生涡流，一次场消失过后，导电体中产生的涡流不会随着一次磁场的消失而马上消失，而是有一个过渡过程。随之将产生一个向地面下传播的衰变的感应电磁场(二次场)，通过在接收线圈或者接地电极上观测到的二次场随时间变化和剖面曲线特征，就可以体现地下导电体的电性分布情况，进而判断地面下不均匀体赋存的所在位置、形态及其电性特征。中国矿业大学最早将瞬变电磁方法引进到井下探测工作中，研究内容涉及全空间瞬变电磁场的分布规律、数值模拟和时深转换等方面，另外在技术上对关断时间、发射功率、发射线圈匝数和干扰因素等方面也进行了研究试验[1-4]。

瞬变电磁探测技术根据延迟时间的不同测量二次感生电动势V(t)，获得二次感应电磁场随时间衰减的特性曲线，该感应衰减曲线变化快慢的情况就反映出探测目标体的相对电阻率的高低变化情况（如图3所示）。

与地面装置相比，井下空间范围比较小，矿井中瞬变电磁探测工作选择边长较小的回线装置，其边长小于3m，一般是采用多匝发射、多匝接收的重叠装置[5-6]。见图4。

重叠回线装置与其他装置相比有以下优点：（1）对于任何形态的导体均能达到最佳耦合状况；（2）响应曲线形态比较简单，易于分析，因为不管是存在良导电覆盖层或者是在围岩导电的情况下，该装置始终处在等效电流环的中心部位；（3）接收电平较高、穿透深度较大，测量结果分析解释比较简便[7-8]。

图1 瞬变电磁法测量原理示意图

图2 瞬变电磁法衰减曲线示意图

由于巷道迎头左右两帮和顶板多为锚联网支护，或者存在大量铁器和积水，对矿井瞬变电磁探测结果产生影响，导致结果中经常出现视两侧呈现相对低阻而中间成像高阻特征的现象，带来虚假低阻异常，而掩盖了迎头前方真正的低阻异常富水区域。为此在处理该类型数据时需排除两侧异常干扰，从而突出迎头前方异常富水区域。

图3 不同电阻率值目标体的二次场衰减电位曲线变化图

图4 矿井瞬变电磁法中重叠回线装置图

2 观测系统布置

为了有效、全面地探测巷道迎头前方一定空间范围内电阻率分布特征，现场探测在巷道迎头按扇形布置测点，形成扇形观测系统[8]，具体测点布置如图5所示，巷道迎头共布置11组探测点，使发射天线和接收天线的法线方向与巷道迎头方向夹角为45°（即天线法线方向与左帮夹角）采集第1组数据，然后按9°顺时针方向旋转天线，直至天线法线方向与巷道右帮夹角45°。每组探测点依次探测顶板30°、水平和底板30°三个方向，即11个方向，每个方向采集3个数据，共计33个数据。通过在多个角度和方向系统采集数据，可以尽可能探明前方空间电阻率分布情况，获得更加完整的信息。

3 现场地质概况

山西长治市辉坡煤矿3201准备面回风顺槽掘进时，顶板淋水比较大，达10～15m3/h，取样化验分析，分析结果表明为顶板砂岩水。该面所处位置为Z2向斜的南翼部，对应井田边界北部襄垣煤矿1063准备面回风顺槽，顶板砂岩较大范围淋水，水量达20m3/h。襄垣煤矿处在深部位于Z2向斜轴部回采的1061综采工作面涌（突）水量达102m3/h。以上资料表明Z2向斜附近煤层顶板砂岩裂隙较为发育、富水性较强，涌水量较大，实践证明该向斜轴部为一富水带，将对3201、3202、3203工作面生产构成严重的影响。

3101工作面位于辉坡井田向斜轴部，为2008～2009年采空区，估计采后的老空区已积水，积水量不清。该采空区积水水位升高，老空水可沿砂岩裂隙、层面裂隙从高位向低位传递运移，将成为开采3201等工作面的补给水源。

图6所示为本次矿井瞬变电磁超前探测成果，结合矿井地质、水文地质和生产资料等综合分析，本次探测结果解释如下：本次探测位置正前方40m范围内未发现明显低阻异常区域，属于弱含水区域特征，无较强含水体反应。在迎头前方60m以外左侧存在低阻异常区域（小于10Ω·m）。在迎头前方30m以外右侧存在低阻异常区域（小于10Ω·m）。

图5 现场布置示意图

4 总结与分析

后期经过钻探验证表明，探测出的相对低阻异常区域为老空积水区域，该区域存在相对富水异常。为矿井安全掘进提供了指导。结合矿井地质资料和本次探测验证成果，矿井瞬变电磁超前探测中以视电阻率值在4～12Ω·m之间圈定相对富水低阻异常区比较可靠。

在现场探测中瞬变电磁探测技术主要受到以下几个因素的影响：

（1）巷道迎头铁器及两侧支护影响：在每次的瞬变电磁探测结果中都在两侧出现相对低阻异常影响区域，这主要是由于瞬变电磁仪器主要接收相对低阻异常体感应的二次场信号，而巷道迎头及两侧支护中的锚网、锚杆和工字钢等相对低阻体也能感应产生二次场信号，在探测结果中就会出现两侧相对低阻异常影响区域。由于巷道中的铁器和支护离接收线圈很近，因此造成的这种假异常低阻影响区域和范围很大。因此采取应对解决方法有3个：①在现场数据采集中尽可能避免和排除探测前方有较大铁器干扰；②在数据处理中剔除和校正这部分干扰数据；③在数据解释中将该两处相对低阻异定性为虚假异常影响区域。

图6 3201工作面回风顺槽超前探测成果图

（2）迎头前方岩体岩性变化和迎头顶板淋水的影响：掘进迎头前方的小构造产生的岩性变化对瞬变电磁的探测结果也有一定的影响，主要表现在相对高阻煤层中构造影响面附近出现大量相对低阻区域，这是由于煤层是相对高阻，而其中伴随断层构造出现的构造影响面是相对低阻区域，因此在探测结果中电阻率分布与岩体中的相对富水区域表现形态类似。因此在探测成果解释分析中需要加强对这类异常低阻的识别和地质资料的结合。

（3）杂散随机环境电磁噪声影响：瞬变电磁探测技术是以岩体中的电磁波的发射和接收为基础的应用技术，井下施工中需求大量工业用电，各种电器的开关和运行会产生大量随机杂散电磁波，在现场探测中若是遇到这种电磁波干扰给探测结果也会带来一定随机干扰影响。