矿井瞬变电磁法在探测顶板老空区中的应用

赵文曙，王俊奇，牟 义

矿井瞬变电磁法在探测顶板老空区中的应用

赵文曙1，王俊奇1，牟 义2

(1.西山煤电集团西山圪堆煤业有限公司，山西 临汾 042403;2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京 100013)

以巷道掘进头超前探测顶板上层煤采空区为例，通过采用矿井瞬变电磁法超前探测技术，在巷道掘进头进行超前数据采集，进行数据处理、反演计算等，形成巷道掘进头顶板视电阻率剖面图，解释了巷道掘进头上层煤采空区的范围和位置特征，该超前探测方法拓展了超前探测的范围，建立了一套适合煤矿采掘过程中超前全方位探测的技术方法。结果表明：矿井瞬变电磁法拓展了传统矿井物探方法的探测范围，实现了矿井全方位的超前探测，不仅能探测前方，对顶、底板以及侧帮都有较好的探测效果;矿井瞬变电磁法不仅可以反演形成剖面图，还可以形成不同探测角度的顺层切片图，实现了多角度立体探测。

矿井瞬变电磁法;PROTEM瞬变电磁仪;超前探测;采空区物探;切片

由于各种矿产资源的开采，在地下形成了采空区。特别是各种小煤窑的泛滥开采，导致许多隐性采空区的存在，给煤矿邻近煤层的掘进和回采产生安全隐患，特别是对下层煤的开采产生影响，主要表现在三个方面：即遗煤自燃、老空区内积水透水和采空区“活化”、顶板发生大面积垮落。如果下部煤层与老采区的距离大于下部煤层开采后覆岩破坏产生的导水裂隙带高度，则老空区这些安全隐患对下部煤层一般不会造成直接影响;相反，如果距离小于导水裂隙带高度，这三种安全隐患均会对下部煤层的安全开采造成不同程度的威胁。因此，必须对采空区的位置、范围、边界等进行勘探。采空区探测多采用物探方法，有时结合部分钻孔资料进行验证。目前，采空区的探测已经成为一项重要的研究课题，但是仍处于发展阶段。探测的物探方法很多，各有所长。例如，地质雷达、浅层地震、高密度电法、TEM等都在采空区探测中发挥着重要作用。但在井下掘进巷道中对上层煤采空区进行探测，在国内外还比较少见，本文以加拿大产PROTEM47矿用瞬变电磁仪为例，在掘进巷道中对上层煤采空区进行探测研究，以寻求新的解决煤矿安全开采的有效探测手段。

PROTEM矿井瞬变电磁仪由于仪器设备轻便、工作效率较高、方向性好、探测精度高，应用越来越广，不仅能够在井下对富水性进行探测，而且能对采空区、断层等构造进行探测，成为地球物理探测方法中应用前途最好的方法之一。瞬变电磁法能对工作面全空间多个角度探测形成视电阻率断面图，对煤层顶底板不同深度进行高精度的数据解释，解释结果立体直观，一目了然。本文以山西某煤矿总回风巷顶板老空区的探测研究为例，对瞬变电磁法井下探测的应用进行拓展研究。

1 工作面概况和地球物理特征

矿区批准开采9、10、11号煤层，9+10煤总回风巷位于井田中西部。本次井下物探施工位置主要位于9+10煤总回风巷掘进头位置，开采标高约为970～980 m，巷道宽度约为4.2 m，巷道高度约为2.8 m，倾角约为7°～8°，距离后方10104回风顺槽大约40 m。沿着9+10煤总回风巷掘进方向左侧约35 m处为9+10煤集中轨道巷，左侧约80 m处为9+10煤集中运输巷;沿着9+10煤总回风巷掘进方向右侧为10104回风顺槽。9+10煤上距2号煤层平均约为82.5 m，上距 3 号煤层间距 73.05 ～74.36 m，平均73.85 m 左右，煤层厚度 6.93 ～9.67 m，平均 8.13 m，总回风巷附近煤厚平均约为6.58 m，结构复杂，含2～7层夹石，层位稳定，厚度变化不大，顶板为石灰岩，厚度约为6～8 m，底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，为稳定可采煤层。

煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，当残留巷道或覆岩冒落裂隙带中未充水或少量充水，采空区将表现为高电阻率异常特征，一般要比正常岩层的电阻率高3～5倍，可达几百上千Ω·m;而当采空区完全充水后，水体不仅充填了老塘，而且也充填了冒落裂隙带，因而在岩体破坏区，其电阻率又明显降低，呈现低电阻率异常特征。通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况，这也是本次电磁法探测采空区的物理前提。

2 矿井瞬变电磁法原理与工作方法

2.1 工作原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法［1］。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用仪器和测量数据的各种装置形式和时间窗口也基本相同。受矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般勘探深度小于150 m。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层;而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下(或两侧)地层。

2.2 工作方法

本次探测采用的仪器为加拿大PROTEM－47型瞬变电磁仪，该仪器具有抗干扰、轻便、自动化程度高等特点。数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。本次矿井瞬变电磁法探测采用专门用于井下的多匝矩形发射线框，边长为2 m×2 m。采用偶极装置进行探测，发射线框和接收线框是2个独立的线框，探测时中间间隔一定距离。探测测点布置在工作面总回风巷掘进头位置。将线圈平面以任意方向、每个方向以任意角度放置于巷道中进行测量，探测线圈平面法线方向一定深度内采空区的垂向和横向发育规律，若发射线框和接收线框水平放置于巷道，则探测巷道正上方顶板或正下方底板一定范围的电阻率分布;若发射线框和接收线框倾斜放置于巷道，则探测工作面上方顶板或下方底板一定范围的电阻率分布，根据电阻率分布情况推断顶板或底板采空区情况。

3 矿井瞬变电磁法探测实施方案

超前探是在总回风巷掘进头的位置(距离后方10104回风顺槽约40 m)进行，在掘进头布置4个不同方向(0°、－45°、－90°和水平旋转方向)的测点，前3个不同方向平面示意图见图1，每个方向测点按照13 个不同角度(90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°、－ 15°、－30°、－45°、－ 60°、－75°、－90°)进行，其中 0°测点、－90°测点和水平旋转方向测点示意图分别见图2，图3，图4。

4 资料处理与解释

4.1 资料处理

井下采集的数据在室内首先将仪器数据传送到微机中进行预处理，即检查数据质量，剔除不合格数据，对测点进行编录，整理成专用数据处理软件所需要的数据格式。处理中用了TEM软件处理，通过surfer和autocad的作图功能，得到各测线的视电阻率剖面图。

瞬变电磁法观测到的数据是各测点各个时窗的瞬变感应电压，同一个测点不同时窗的感应电压不仅与某个深度的地层电阻率具有一定的相关性，而且和该深度上覆地层电阻率相关。瞬变电磁数据处理的目的是：

1)二次场归一化感应电压由于信号小，容易受各种人文电磁干扰，去除非地层电性产生的感应电压是瞬变电磁处理的首要目标。采用了直接的畸变剔除和非线性滤波两种方式。

2)尽管感应电压高对应电阻率低，但不同时间的瞬变电磁二次常感应电压跨越了5、6个数量级(甚至更大)，而且不直观。将归一化瞬变感应电压换算成视电阻率、视纵向电导、视深度等直观参数是瞬变电磁数据处理不可缺少的，也是最基础的工作，它符合深度多少米电阻率多少的常规解释要求。

4.2 解释原则

根据掌握的本区地质与地球物理资料，结合实测电阻率分布特点，把岩层完整性及含水程度与电阻率的一般对应关系分为3个级别：

1)推断含水岩层：对应的电阻率小于40Ω·m。

2)推断弱含水的实体岩层：对应的电阻率小于200Ω·m或者范围较大，对应电阻率介于40～200 Ω·m。

3)推断不含水的破碎岩层或采空区、巷道：对应电阻率大于200Ω·m。

4.3 资料解释

经过反演处理以后，形成各测线的反演电阻率成像剖面数据文件和平面文件，以总回风巷0°方向超前探测电阻率剖面图为例，对照该图对掘进头前方地质情况进行解释。

图5 0°方向测点正前方超前探电阻率剖面图

0°方向测点上方电阻率剖面图见图5，该剖面图坐标原点为总回风巷掘进头，其中横坐标为总回风大巷掘进头沿0°水平方向，其中正值为0°方向前方，负值为沿0°方向后方，纵坐标为总回风大巷掘进头垂直顶板方向。图上所标角度为该方向测点不同探测角度，其中又分为前上方和后上方不同方向。沿不同探测角度的有效探测深度为80 m，80 m以外采集数据不可靠，解释结果仅供参考。

在有效探测范围80 m之内存在3处高阻异常和1处低阻异常，3处高阻异常和1处低阻异常幅度不明显，结合该工作面的开采资料和视电阻率等值线梯度变化特征，在该剖面横坐标方向0～80 m、纵坐标方向0～60 m和极坐标后上方30°～前上方45°之间位置，局部视电阻率值在200Ω·m附近，产生较弱高阻异常，为高阻异常体1，推断该位置是由于高阻岩层、构造或电力干扰引起;在该剖面横坐标方向－20～0 m、纵坐标方向20～60 m和极坐标后上方60°～上方90°之间位置，局部视电阻率值在200Ω·m附近，产生较弱高阻异常，为高阻异常体2，推断该位置是由于高阻岩层、构造或电力干扰引起;在该剖面横坐标方向60～80 m、纵坐标方向0～20 m和极坐标正前方0°～前上方15°之间位置，局部视电阻率值在200Ω·m附近，产生较弱高阻异常，为高阻异常体3，推断该位置是由于高阻岩层、构造或电力干扰引起;在该剖面横坐标方向－40～－20 m、纵坐标方向0～40 m和极坐标后方0°～后上方60°之间位置，视电阻率值小于40Ω·m，产生较弱低阻异常，为低阻异常体1，推断该位置是由于前方底板低阻岩层干扰、前方底板弱含水体干扰或电力干扰引起。

在有效探测范围80 m之外存在2处高阻异常，异常幅度较明显。结合该工作面的开采资料和视电阻率等值线梯度变化特征，在该剖面横坐标方向－100～－50 m、纵坐标方向0～80 m和极坐标后上方0°～前上方45°之间位置存在局部高阻异常，视电阻率值大于200Ω·m，为高阻异常体4，推断该位置是由于采空异常、构造异常、高阻岩层或由于电力产生干扰影响引起的;在该剖面横坐标方向－90～40 m、纵坐标方向80～140 m和极坐标后上方45°～前上方75°之间位置存在大范围高阻异常，视电阻率值大于200Ω·m，为高阻异常体5，结合老空区分布层位，推断该位置是由于采空引起，为采空异常区域。

5 结语

结合在山西部分煤矿的探测经验和矿井瞬变电磁法的特点，为了在巷道掘进过程中实现更全方位的超前预测预报，实现巷道的安全掘进，提出以下建议：

1)本文仅以巷道掘进头顶板采空区探测为例，表明了矿井瞬变电磁法探测巷道顶板效果明显，在其他实际应用过程中，矿井瞬变电磁法对巷道掘进头底板以及侧帮都取得了非常明显的效果。该方法拓展了传统矿井物探方法的探测范围，实现了矿井全方位的超前探测。

2)矿井瞬变电磁法采用发射线框(边长2 m×2 m)和接收线框分别为匝数不等的2个独立回线，采用中心回线装置，与异常体产生最佳耦合响应，提高信噪比，有利于异常的识别。该装置与其它矿井物探方法相比，具有轻便、快速、探测深度大和对异常体反映灵敏等特点。

3)矿井瞬变电磁法采用不接地回线，可以实现多角度立体探测，这是高密度电法所不能实现的。

4)矿井瞬变电磁法数据处理过程中采用最新的切片技术，不仅可以反演形成剖面图，还可以形成不同探测角度的顺层切片图，可以实现多角度立体探测。

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Application on Transient Electric Magnetic Method in Roof Goaf Detection of Coal Mine

Zhao Wen－shu，Wang Jun－qi，Mu Yi

The article takes advanced detection of the roof upper coal goaf in the tunnelling end as example，by adopting advanced detection technology of transient electric magnetic method of coal mine，carrying out the advanced detecting data collect in the tunnelling end，data handling，inverse calculation and etc.，forms the apparent resistivity section chart of the tunnelling end roof，explains the range and location characteristic of the upper coal goaf in the tunnelling end.The advancing detection method open up range of the advancing detecting，has built a set of the technology method of being suitable to the all－direction advancing probing in mining and digging process of coal mine.Result is indicated that transient electric magnetic method of coal mine has open up the tradition detecting range of geophysical prospecting in coal mine，has realized the all－ direction advanced detecting，not only the front，but also the roof，the floor and the side have better probing effect.Transient electric magnetic method of coal mine has not only inverse calculation to sectional drawing，also can form tier section pictures of the different probing angle，realize multiangle stereoscopic detecting.

Transient electric magnetic method of coal mine;PROTEM transient electromagnetic instrument;Advanced detection;Goaf geophysical prospecting;The section

TD163

A

1672－0652(2012)07－0030－04

2012－06－20

赵文曙(1972—)，男，山西长治人，1995年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事矿井技术管理及地质测量工作(E －mail)1369292240@qq.com