瞬变电磁法在煤矿巷道超前探测中的应用

摘要：煤矿巷道掘进过程中或工作面掘进过程中的地质水文超前预报关系到煤矿采掘工程的安全质量。研究瞬变电磁法超前探测的工作原理、施工方法以及布置方式，并将其应用到煤矿的超前探测中，可以为矿井防治水害提供依据。以河北某煤矿巷道超前探测为例，介绍了瞬变电磁法在巷道超前探测中应用及效果。

关键词：瞬变电磁法;巷道迎头;超前探测;电阻率

中图分类号：P631.325文献标识码： A文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

在煤矿生产中最大的安全隐患是施工巷道前方遇到隐伏的含水、导水等不良地质构造，为了排除水灾害隐患，通常是在巷道迎头进行打钻作业。虽然此方法的精准度较高，可是却费工费时，还圈不出具体的富水区范围，有很大的盲目性。瞬变电磁法是近几年新兴起的一种勘探手段，已经广泛地应用于矿井生产中。由于此种方法观测的是二次场，可近距离观测，能灵敏地探测到低阻含水体、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工便捷、效率高等优点，可有效地探测到巷道周围100m范围内的赋水情况。从而提高煤矿安全生产效率，缩短巷道掘进所花费时间，节约成本。实践结果得出，矿井瞬变电磁法能较好地探查出巷道前方的隐伏富水构造。

1 基本原理

瞬变电磁法是基于电磁感应原理，据此理论，矿井瞬变电磁法采用发射和接收两个线圈。探测方向定为发射线圈平面的法线方向。在探测时要将线圈的法线方向正对巷道中待测的目标体，位置固定以后在发射线圈中通入阶跃电流，而后瞬间关断，发射回线中因电流突然变化而在其周围产生磁场。该磁场称作一次磁场，当其在传播途中遇到导电良好的地质体时，就会在其内部激发感应电流，又称作涡流或二次电流。由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而涡流并不立即消失，在巷道围岩中激发了以发射线圈法线方向为中心的涡旋感应电流场。在切断电流后的任意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随着时间的延长，涡流场将向前及向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环表现为一系列与发送线圈同形状的电流环，通常称之为“烟圈”（如图1所示）。因此，这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场，又称为二次磁场。依据接收瞬变电磁场随时间变化的规律，可探测出巷道前方岩层的电性变化与空间分布形态，实现超前探测的目的。

2 施工方法技术

井下瞬变电磁法基本上是由地面移植至井下，受井下测量环境的限制，相应的施工方法和测量参数需进行一定的改进。由于井下巷道超前探测过程处于全封闭空间中，并且井下巷道宽度有限，因此只能选择边长小于3m的小线圈。采用小线圈测量，点距更密，可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。另外，通过井下具体实验，回线匝数、时间序列、叠加次数、抑制系数等测量参数也需要合理选择，具体的参数设置依不同地域和地质条件来设定。

在井下巷道进行瞬变电磁法超前探测时，需要清理掉巷道迎头的杂物，巷道高度不得低于2m，保证距离巷道迎头5m范围内无较大的金属体 （如掘进机械等），尽可能创造一个理想的探测环境。在巷道迎头布置测点时，需要从右侧开始，首先将天线法线垂直于巷道右侧面进行测量，之后旋转天线，确保天线的法线方向与巷道右侧面的夹角以15°递增;当天线旋转至巷道的正面时，依据断面的宽度来布置2～3测点;当天线再旋转至巷道迎头左侧时，再将天线的法线方向与巷道右侧面的夹角以15°递增（如图2所示）。这样就能从不同的方位采集数据，进而将整个前方空间的信息都覆盖进去。

在井下施工过程中，可以通过调整线圈与巷道顶、底板之间的角度改变线圈法线的指向，获取不同方向上的地电信息。如果遇到特殊异常区段，可以适当地缩短点距、加密探测。探测示意图如图3所示。

3 应用实例

河北某矿井田为广阔平原，被第四纪冲积层所掩覆，位于开平向斜东南翼南段。该矿12#煤层位于上石炭统赵各庄组中部，层倾角14°，复杂结构中厚煤层、平均厚度为2.5米。综合所有水文资料分析，该矿井定性为水文条件极复杂矿井，发育有14个陷落柱，并且各煤层间有直接充水的含水层。2022工作面位于5～12煤層间砂岩裂隙承压含水层与12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层这两个含水层中，并且可能接受下部唐山组灰岩含水层的补给。所以，巷道掘进过程中受采动影响会出现大面积涌水。为了确保巷道掘进的安全性，对2022风道采用边探边掘法，就是利用瞬变电磁技术来查明煤层顶板、顺层、及底板的赋水性。

本次勘探使用YCS40矿用瞬变电磁测深仪，采用多匝重叠小回线装置，天线为2m×2m矩形线框，发射线圈10匝，接收线圈20匝，叠加次数64次，抑制系数1。为了查明前方含水情况，分三个方向进行探测，分别为向上30°（煤层顶板方向）、向下30°（煤层底板方向）、水平（顺煤层方向），每一个探测方向布置14个测点（如图2所示）。

三个方向探测结果显示（如图4所示），排除15米左右盲区，前方40～100m存在着较大范围低阻异常区。根据以往探测结果和验证情况分析，同时结合已知地质资料，推测顶板方向异常区是由上覆采空区积水影响，无明显的赋含水构造存在;推测底板方向异常区范围为12煤层底板强富水区，未有直接导通深部灰岩含水层的通道。为了验证煤层底板的低阻异常区，在2022风道迎头位置布置超前钻孔，专门向低阻异常区钻进，当钻进至底板70米时钻孔出水，水量较大，很好地验证了瞬变电磁超前探测结果。

4 结语

通过实例，可以看出瞬变电磁法超前探测能够适应目前矿井水文地质勘探工作要求。该方法可以有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常区，能准确确定异常区的位置，同时工作效率高，施工简单。应用该技术很大程度上保障了巷道的安全、快速掘进，但是需要较长的时间来关断发射电流，导致近距离内存有探测盲区，同时井下探测时存有很多的干扰因素。要想在矿产领域能够成熟地应用瞬变电磁法，还需要不断地创新和完善。期望以后能够对瞬变电磁法理论与资料处理展开深入地探究，进而更好地服务于矿井水文地质勘探。

参考文献

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收稿日期：2019-07-05

作者简介：郜宏伟（1984—），男，山西高平人，本科，地质工程师，主要从事煤矿井下物探工作。