煤矿井下瞬变电磁超前探测技术探讨与应用

李鹏飞　贾子龙　张富明　赵兴辉

摘 要：煤矿巷道掘进及工作面回采时，若前方存在富水区，易发生突水事故。采用煤矿井下瞬变电磁超前探测技术，可以探测煤矿掘进头及工作面前方隐伏构造的富水性。煤矿井下瞬变电磁超前探测技术通过观测电磁感应二次场进行探测，其具有工作效率高、线框布设灵活、横向分辨率较高的特征。针对不同的地质条件和工作任务，选择适合的施工装置和施工参数。掘进头超前探实例中，超前探圈出的顺层富水区钻孔得以验证，在工作面超前探实例中，煤层中注水区与超前探测成果一致，说明了煤矿井下应用瞬变电磁超前探测技术探测富水区是有效的。

关键词：瞬变电磁;超前探;掘进头;工作面

Abstract： Water inrush is easy to happen if there is water-enriched area in front of the coal mine during driving and working face mining. By using the advance detection with transient electromagnetic method in coal mines， the water-enriched property of the hidden structure in front of the mining head and working face can be detected. By observing the secondary field of electromagnetic induction， the technology has the characteristics of high efficiency， flexible layout of wire frame and high horizontal resolution. According to different geological conditions and work tasks， it needs selecting suitable construction equipment and construction parameters. In the case of advance exploration in the driving head， the drilling in the water-enriched area along the seam circled by advance exploration is verified. In the case of advance exploration in the working face， the results of water injection area in the coal seam are consistent with those of advance exploration， which shows the effectiveness of the underground transient electromagnetic technology for the water-enriched area.

Keywords： transient electromagnetic; advance detection; driving head; working face

0 前言

井下水患严重威胁煤矿企业的生产与建设，往往给矿井造成严重的财产损失及人员伤亡。井下物探是煤矿勘探的主要手段，可以对煤矿地质构造、富水安全隐患进行探测，井下物探方法灵活多样，被称为矿井物探的“輕骑兵”（杨增林等，2015）。瞬变电磁法勘探技术已广泛应用于井上地面物探之中，在富水性探测中取得了比较好的效果，但由于距煤层较远及地面电磁干扰源的影响，井上瞬变电磁法的分辨率受到影响。本文利用井下瞬变电磁超

前探测技术，在巷道掘进、工作面回采前，对迎头、工作面内进行富水性探测，由于距目标体更近，可以有效预测迎头前、工作内的富水区，为探防水钻孔的布设提供依据，因此井下瞬变电磁超前探测具有重要的现实意义。

1 煤矿井下瞬变电磁超前探测技术原理及特征

1.1 基本原理

瞬变电磁法又称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods，TEM），是通过观测电磁感应二次场进行探测。其工作基本原理：在发射线圈中通以一定波形的电流，产生一次电磁场，地下导电岩矿体会产生感应电流，进行断电，断电后感应电场会随时间衰减（靳清芳，2014）。断电后二次场随时间变化不同，通过测量各个时间段的二次场，提取不同深度岩矿石的地电特征（李建文，2019）。

二次场的传播可以用“烟圈效应”来解释（李貅，2002），任一时刻的二次电流位于探测面的磁场可以等效为一个水平环状电流所产生的磁场。若发射电流关断后，环状电流会由发射回线向外传播扩散。图1为瞬变电磁法电流关断后一圈一圈的等效电流环，电法环像是从发射线圈中“吹”出来一样，这种二次电流环向下、向外传播的现象称为“烟圈效应”。

二次场的强弱、衰减快慢与探测地质体电阻率高低有关，低阻会引起较强且衰减慢的二次场，导水断层陷落柱、采空积水岩层富水、金属矿体属于低阻地质体（张军等，2012）;高阻会引导起较弱且衰减较快的二次场，贫水区、不含水采空属于高阻地质体。

1.2 煤矿井下瞬变电磁特征

煤矿井下瞬变电磁法与其它物探方法有很大区别，主要有以下特点：

（1）工作效率高。井下瞬变电磁法仪器轻便方便携带，施工劳动强度大大减小（于景等，2011）。

（2）线框布设灵活。可以将线框放于巷道顶底板、平行于侧帮及迎头。

（3）矿井瞬变电磁法采用小线圈测量，点距加密，降低体积效应，提高横向分辨率。

（4）矿井瞬变电磁可以探测巷道迎头掘进前方煤岩层、隐含构造的富导水性，可以探测回采工作面内构造分布和含水异常区的空间分布。

（5）矿井瞬变电磁探测一般会有20～30 m盲区，这是由于电流关断后，早期信号发生了畸变。

（6）对金属敏感，井下施工时探测数据容易受到金属物的干扰，需要在数据处理和解释过程中剔除明显数据。

2 工作技术与方法

2.1 装置选择

瞬变电磁法装置一般分为重叠回线装置和中心回线装置（李云波，2012），中心回线装置一般应用于地面瞬变电磁法，重叠回线装置是井下瞬变电磁法常用装置（图2），重叠回线装置包括了瞬变电磁仪、发射机、接收回线、发射回线及连接线。通过两根炭纤维绝缘杆将接收回线与发射回线绑成方形线圈，通过连接线将发射回线、接收回线与瞬变电磁仪进行连接，重叠回线装置的连接完成。

2.2 装置参数设置

装置参数设置合理与否直接影响探测效果，井下瞬变电磁法采用了多匝小回线装置主要的设置参数有：发射线圈长度（1～2 m）、接收线圈长度（1～2 m）、发射线圈匝数（0～40匝）、接收线圈匝数（0～40匝）、叠加次数（0～100次）、电流大小调节（0～50 A）等。

线圈长度与发射磁矩成正比，线圈长度越长，发射磁矩越大，但同时体积效应也越大，线圈长度小，体积效应越小，探测纵、横向分辨率越高。井下瞬变电磁法施工区域为井下巷道内，施工空间有限，线圈长度受到巷道空间的约束，为了便于施工，线圈长度不宜过大，一般边长小于2 m。大小功率选择与电流大小调节可以控制信号的强弱，线圈匝数与发射磁矩成正比，匝数越多，探测深度越大。叠加次数越多有效信号越多。总之，在井下瞬变电磁法勘探施工时，要根据不同的任务要求和井下实际施工条件情况，合理选择各参数，使线圈长度、叠加次数、线圈匝数、功率及电流参数选择合理，在井下探测取得较好效果的前提下，能够提高探测工作效率并减小施工强度。

2.3 施工布置

井下瞬变电磁探测主要对迎头、工作面内进行超前探测，预测迎头前方、工作面内的含水异常。

（1）掘进头超前探测布置

掘进头超前探测施工布置主要的参数为：探测方向、探测角度。

根据重叠回线装置多匝小线框发射电磁场的方向性，线框平面的法线方向为探测方向（图3a），探测角度设置的原则是从左侧帮到右侧帮180°范围内的尽量做到掌子面迎头全面覆盖，形成对迎头左侧帮、左前方、正前方、右前方、右侧帮的扇面探测，探测角度越多，探测信息越丰富，但同时会降低工作效率，井下瞬变电磁法一般设置11个探测角度，分别为：左0°、左30°、左45°、左60°、左90°、90°、右90°、右60°、右45°、右30°、右0°（图3b）。探测角度可根据探测任务进行角度的加减。

探测角度为线框与掌子面的夹角，一般设3个角度：上30°（顶板方向、图4a）、0°（顺层方向、图4b）、下30°（底板方向、图4c）。探测角度可以根据探测任务和矿方的要求进行相应的修改或增加。

掘进头迎头瞬变电磁超前探测一般布置3个探测角度，11个探测方向。每个探测角度为1条测线，11个探测方向为每条测线上的11个点。每条测线形成1个视电阻率扇形图，共形成3个扇形图。

（2）工作面超前探测布置

切眼形成后，沿左、右顺槽对工作面区域进行超前探测，图5红色虚线部分为探测区域，工作面一般为一长方体，因而也俗称对“豆腐块”进行探测。工作面探测点距之间一般2～20 m，探测角度的设置同掘进头超前探测布置。

3 探测实例及效果

3.1 掘进头超前探测实例

晉城某煤矿90113主巷迎头掘进头超前探测布置时，矿方要求向上能够探测到上组煤层的采空积水，上组煤层距探测煤层60 m，斜向上30°方向垂向探测距离只有50 m，不能满足矿方要求，所以增加1条斜向上45°方向测线，垂向探测距离达到了71 m，满足了矿方的要求。

使用参数为发射线圈长度1.5 m、接收线圈长度1.5 m、发射线圈匝数16匝、接收线圈匝数40匝、叠加次数60次、电流大小为50A。探测位置为312点前125 m，经数据处理共获得实测扇形剖面4幅，分别为掘进头斜向上45°方向探测扇形剖面、掘进头斜向上30°方向探测扇形剖面、掘进头顺层前方探测扇形剖面、掘进头斜向下30°方向（图6）。图中颜色填充表示视电阻率（Ω·m），蓝色和淡蓝色区域为低阻异常区，黄白色区域为高阻体，横坐标0 m处表示迎头位置，左右正负（m）表示左右帮距迎头距离，纵坐标表示迎头前方距迎头距离（m）。

经数据分析结合已知的工作面地质资料及以往物探工作经验进行含水异常区解释，解释原则为视电阻率值小于等于10Ω·m。图6中的红色虚线部分为解释的低阻异常区，斜向上45°方向扇形剖面圈出低阻异常2处，距掘进头较远，可能与上组煤层老窑积水有关; 90111工作面巷道位于探测巷道的左侧帮，顺层方向和底板方向可以明显看出左侧帮低阻异常，认为此异常受90111巷道内皮带机等金属的影响;顺层方向正前方有一处异常，建议矿方重点勘探验证。

矿方本着“物探先行，钻探验证”的原则，根据超前探测结果在巷道向前掘进前钻探，钻探结果顺层正前方长钻有出水现象，与解释成果相符。

3.2 工作面超前探测实例

榆次某煤业有限公司15下0101回采工作面进行瞬变电磁超前探测，使用参数为发射线圈长度1.5 m、接收线圈长度1.5 m、发射线圈匝数16匝、接收线圈匝数40匝、叠加次数60次、电流大小为50 A。探测工作面长100 m，切眼宽140 m，施工时的点距为5 m，沿左右顺槽进行对穿，3个探测角度，以顺层方向为例说明。图7、图8分别为左、右顺槽顺层方向剖面图，图中横坐标0 m处表示切眼与顺槽相交位置，纵坐标表示工作面内距顺槽距离，颜色填充表示视电阻率（Ω·m）。

从图7、图8中可以看出左、右顺槽均受到切眼处综掘机的影响而在切眼附近为低阻异常区，图7、图8中横坐标0 m附近1#蓝色异常部分;左顺槽60～100 m处停有大型的移动电站，对数据的影响较大，图7中2#蓝色异常部分;右顺槽8～18 m，距巷道35～90 m处的异常区（图8中1#红色异常部分），视电阻率值小于4Ω·m，后经矿方验证在探测之前有过注水情况，与解释结果相符。

4 存在问题

煤矿井下防治水工作直接关系到矿井的安全生产（殷小宝，2019），井下瞬变电磁超前探测技术是煤矿井下探水最为有效的方法之一。但我们也必须清楚地认识到井下瞬变电磁超前探测还有一些问题没有解决，如探测盲区问题、井下金属干扰及多解性问题（王力，2011），本次探测实例中探测盲区0～30 m（图6、图7中前30 m范围内为探测盲区，表现为特高电阻），并且探测数据不可避免地会受到井下锚杆网的影响。所以在井下条件具备时，可配合无线电波透视法、矿井直流电法、井下槽波等方法综合探测、综合解释（段建华，2009），为煤矿的安全生产保驾护航。

5 结论

掘进头超前探实例中，顺层富水区钻孔得以验证，工作面超前探测实例中，工作面内的富水异常区为煤层注水区，说明了煤矿井下瞬变电磁超前探测技术对富水区较敏感，尤其当掘进前方采空区内存在积水时，采用瞬变电磁超前探测技术会做出相应预测预报，严防井下突水事故的发生。

煤矿井下瞬变电磁超前探测技术已经得到了较为广泛的应用，为煤矿的安全生产起到了重要的作用，煤矿生产必须遵守“物探先行、钻探验证”的原则，扎实有效地做好巷道掘进及工作面回采超前探测工作，利用探测成果进行重点钻探验证，确保巷道的安全掘进和回采工作面的安全生产。

参考文献：

段建华，2009.综合物探技术在矿井防治水中的应用[J].华北科技学院学报，6（4）：60-65.

靳清芳，2014.关于井下超前探在煤矿生产中的应用[J].科技资讯，12（20）：6+8.

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李貅，2002.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社：97-99.

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殷小宝，2019.瞬变电磁技术在矿井防治水中的应用[J].水力采煤与管道运输（2）：93-95+98.

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