瞬变电磁法巷道超前探测①

常杰

(山西晋城煤业集团寺河矿，山西晋城 048205)

瞬变电磁法巷道超前探测①

常杰②

(山西晋城煤业集团寺河矿，山西晋城 048205)

本文介绍了瞬变电磁法井下巷道超前探测的原理、技术、方法及应用。巷道超前探测、超前预报对于煤矿的安全掘进有着非常重要的作用。瞬变电磁法作为一种快速、高效、方便的探测方法，可以很好的满足矿井巷道超前预测、预报的要求。在实际工程勘探中，该方法可以准确反映出巷道前方地质体的空间特征，为矿井防治水害提供了依据。

矿井瞬变电磁法;巷道超前探测;构造赋水性

0 引言

随着煤炭开采由浅部向深部发展，构造探测也出现了一些新情况、新问题。由于深度增加，地表勘探的精度降低，发展井下近距离探测成为目前研究开发的主要课题。巷道掘进前方断层及其破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性的快速准确预测、预报对巷道安全高效掘进和预防水害事故的发生有着非常重要的作用［1］。近年来发展出来的矿井瞬变电磁技术凭借其体积效应小、探测方向性强、分辨率高、对含水低阻体敏感、施工效率高等特点，通过设计适合矿井巷道条件的装置形式，可以有效的解决工作面煤层顶底板、回采煤层及巷道前方构造赋水性状态。特别是在矿井巷道超前探测方面，瞬变电磁法有着无可比拟的优势［2］。

1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(二次场)［3］。该二次场的大小及衰减速度与地下地质体的导电性有关，如果岩石裂隙发育丰富，含水量较大，导电性好，则二次场衰减慢;反之，二次场衰减较快。根据二次场衰减曲线的特征就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。

应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比导电介质中传播的速度大得多，当一次电流断开时，一次场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。美国地球物理学家M.N.Nabighan对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值最先位于紧靠发射回线的地表下，随着时间的推移，该极大值沿着与地表呈30°倾角的锥形斜面(如图1)向下、向外移动，强度逐渐减弱。

图1 地下感应电流环带分布图

2 工作方法与探测技术

2.1 工作方法

矿井瞬变电磁探测方法依据所探测的目标及探测场地的不同有两种方式：偶极方式和中心方式，如图2所示。若在井下巷道中对煤层顶底板进行探测时，由于巷道相对瞬变电磁探测要求的最小距离(5 m)要大的多，一般采用移动式的偶极探测方式。通过在巷道内移动瞬变电磁系统和改变发射及接收线圈的方向，可以对煤层顶底板不同方向进行探测，得到一个扇形空间的探测信息。

巷道掘进头一般只有几平方米大小，既无法采用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，我们采用了一种不共面同轴偶极方式。如图3所示，发射线圈(Tx)和接收线圈(Rx)分别位于前后平行的两个平面内，二者相距一定距离并处于同一轴线上。观测时接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于巷道掘进头来说，探测方向分别对准巷道正前方、正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息。

图2 瞬变电磁系统偶极及中心工作方式

图3 巷道掘进头TEM超前探测装置方式

2.2 探测技术

采用迎头超前探测的方案，在局部对巷道侧邦及顶底板进行探测时，则采用偶极装置的方案进行构造及富水性探测研究。掘进巷道前方构造及富水性探测研究超前探测方案，主要采用多方向水平探测，使探测范围形成一个以迎头为中心点的扇形区域。探测方向如下图4所示。为了了解顶底板情况，也可采用垂直方向的探测方案，如下图5所示。

图4 水平方向探测方式布置示意图

图5 垂直方向探测方式布置示意图

3 地球物理响应特征

从电性上分析不同地层的电性分布规律为：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高;如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件［4］。

4 应用实例

以寺河煤矿西一盘区回风一巷构造超前探测为例，本次矿井瞬变电磁探测，共分五轮进行探测，前四轮为在迎头进行超前探测研究，第五轮在西轨大巷探测。每轮探测范围如图6所示。

1)第一轮探测：迎头位于设计起始点处。瞬变电磁探测成果如下图7、8所示。由上图可见在迎头前方约15～20m处出现高阻的条带，可能为不富水断层破碎带的反映。

图6 矿井瞬变电磁探测范围分布图

图8 瞬变电磁探测成果图

图9 瞬变电磁水平方向探测成果图

图10 瞬变电磁探测成果图

2)第三轮探测：迎头位于6横川前7 m左右，即距此巷道探测任务起点170 m处。由图9、10可见，在30～40 m处出现一高阻异常区域，前方岩体相对较破碎，也有可能为断层破碎带。

3)瞬变电磁探测成果

总结以上各轮探测成果，共计探测出两处构造异常区。如下图11所示，一处为距3号横川约17m处，可能为一断层构造。另一处距3号横川约200m处，岩体可能破碎或存在断裂带。

图11 西一盘区回风一巷瞬变电磁探测成果图

4)瞬变电磁探测工程验证

在实际掘进前，对本次探测成果所圈定的异常区，进行了进一步的钻探考证，逐一对各异常区进行排查，以防止瓦斯突出及矿井水害的发生。根据现场钻探及掘进揭露情况分析，超前探测圈定的两个异常区位置岩体较破碎，出现断层构造。实际钻探及掘进揭露情况与瞬变电磁探测结果基本一致。

5 结论

矿井瞬变电磁法在井下巷道超前探测方面具有施工方便、对施工空间要求不高、成本低、技术比较成熟、效率高的优点，特别是可以在狭小的巷道迎头空间中工作和数据采集效率高，不影响煤矿巷道的正常掘进。

该方法可有效地预测巷道掘进迎头前方的含水异常，可提前预报前方断层及破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等构造的赋水性，保障了巷道的安全、快速掘进。同时瞬变电磁法装置简便、成本低、效率高，能够短时间内给出结果，为巷道的快速掘进节约了大量的时间，提高了煤矿的工作效率，因此在矿井超前探测方面值得推广。

［1］郭纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测［J］.地震地质，2006，9(3)：456－462

［2］姜志海，岳建华，刘志新.矿井瞬变电磁法在老窑水超前探测中的应用［J］.工程地球物理学报，2007，4(4)：291－293

［3］牛之琏.时间域电磁法原理［M］.长沙：中南大学出版社，2007

［4］李运启，李小明，李永军，王洪德.顶板砂岩富水性的矿井瞬变电磁法探测［J］.地震地质2009，(4)：39－42

Application of Transient Electromagnetic Method in Advanced Detection

CHANG Jie

(Sihe ore of Shanxi Jincheng Coal Industry Group，Jingcheng Shanxi048205)

The principle，technology，method and application of transient electromagnetic method in mine roadway leading pros pecting are introduced in this paper.It is very important for safely tunneling of roadway to apply advanced forecasting technology. TEM has the advantage of expedition，great efficiency，convenience，which is an effective way for the reuest of mine roadway leading prospecting.In a prospecting living example，the spatial feature of anomaly body can be reflected exactly using the TEM in advanced detection，thus it provides a foundation for mine water control.

mine transient electromagnetic method;roadway leading prospecting;water bearing structure

P631.3+25

A

1672－7169(2011)03－0004－04

2011－05－12

常杰(1973－)，男，山西晋城人，大学毕业，晋煤集团寺河矿副总工程师，长期从事矿井地测、生产技术及管理工作。