井下瞬变电磁探测技术在煤矿防治水的应用

问风明

（山西汾西矿业集团对外事务处，山西 介休 032000）

·试验研究·

井下瞬变电磁探测技术在煤矿防治水的应用

问风明

（山西汾西矿业集团对外事务处，山西 介休 032000）

随着社会对煤炭资源需求的增大，许多煤矿的开采深度不断加大，这样就会带来一系列的问题，如出现地面走动、地下水害等。其中，煤矿水害对矿井安全生产构成了极大的威胁，一旦发生事故，就会演变成重大的灾害。因此，要实现矿井的安全生产，就要做好煤矿防治水工作，减少安全事故的发生率。井下瞬变电磁探测技术就是用来防治煤矿水害的一种技术，这种技术的特点在于其体积效应小、方向性好、探测准确，可以有效探测矿井空间中各种富水异常体，为煤矿提供相应的地质技术保障。本文分析了井下瞬变电磁探测技术在煤矿防治水中的应用。

煤矿；异常体；探测；瞬变电磁探测技术

1 前 言

随着煤矿开采深度和力度的加大，煤矿水害对煤矿安全生产构成了重大的威胁。煤矿水害产生的原因主要有4种，第一种是由于断层与强含水层或岩溶水导通所导致的，第二种是由煤矿老窑及采空区的积水引起的，第三种是因陷落柱造成的导水而发生的煤矿水害，第四种是由于扰动的地质影响，使得矿井与煤层顶底板含水层导通导致的煤矿水害。特别是当顶底板含水层和每层有着相对较近的距离时，在回采工作面的过程中，非常容易产生岩溶陷落柱、裂隙以及断层等构造，这便会导致富水区域导通，进而造成局部大面积突水或者大量出水的不良现象。所以，为了防止煤矿水害的威胁，有必要对矿井的含水构造进行探测。但是应用普通电法进行探测效果并不明显，所以，必须采用瞬变电磁法进行探测。通过瞬变电磁方法可以较为准确地预报工作面顶底板富水异常区域，它探测的效率高，施工简单，不受高阻层的屏蔽，在预测工作面顶底板富水异常区域中，有较好的效果，同时也减少了人力消耗和降低了安全成本。通过这种方法，可以及时制定水文防治方案，最大限度地减少由煤矿水害引起的矿井安全事故。

2 瞬变电磁探测技术

2．1 瞬变电磁探测技术的特点及概念

瞬变电磁法属于频率域探测的一种方法，借助于明确探测物质的频率范围，来进行探测和确定探测物质的存在。由于我国的探测技术起步比较晚，在很多方面还不成熟，比如灵敏度、数据转化以及探测精度等诸多问题，均尚未得以有效解决。许多技术问题，比如在高阻围岩地区产生假异常、勘探深度增加和信噪比增强等的出现，均与接发距离或者线圈的点位存在着直接联系。测深工作与剖面测量也均需要线圈，所以，要进行线圈的研制和改进线圈的工作，将科学合理的线圈形式研制出来，进而将探测准确性及探测效率提高。正是因为瞬变电磁法所具备的特点，在很大程度上拓宽了其应用范围，有助于水文及工程地质、构造探测和矿产勘探等一系列问题的解决。矿井由于其具有半空间的特点和具备全空间的环境，也属于瞬变电磁法的勘测对象，在煤矿水防治当中，应用瞬变电磁法能够迅速的将探测任务完成，并且可以提高较高准确度的探测结果。

2．2 瞬变电磁探测技术的基本原理

瞬变电磁法又被称之为时间域电磁法，简写为TDEM或TEM。瞬变电磁法是利用接地线源或者不接地回线发送一次脉冲磁场向地下，在一次脉冲磁场的间隙过程中，借助于对各物理场值空间分布特征及变化规律的分析，进而将探测范围中的水分分布情况及地质信息推断出来，通过运用接地线源或者线圈对二次涡流场加以观测。地面瞬变电磁法基本原理基本上与矿井瞬变电磁法一致，但其区别就在于矿井瞬变电磁法是在几百米地下深度的煤层巷道或者岩层巷道中进行的，因为巷道受到了较小几何尺寸的束缚，因而矿井瞬变电磁法无法像地面瞬变电磁法一样对大回线探测装置加以应用，仅仅能够采取小于3 m边长的多匝小回线进行探测。而地面瞬变电磁法往往是半空间瞬变相应，该响应大多数均是源于地表下的半空间地层；矿井瞬变电磁法则是全空间瞬变响应，该响应原则回线平面两侧或者上下地层，也就是双“烟圈效应”。

正是因为矿井以下所接收的感应电动势为综合的巷道周边空间探测中介质岩层电性特征的响应，矿井瞬变电阻通常是根据电阻率的大小来确定空间岩电性特征的响应，按照电阻率可知其计算公式为：

式中：

C—全空间响应系数；

B—地面装置与井下工作装置的比例系数；

n与N—未对应回线匝数；

s与S—分别为发射回线面积、接收回线面积；

t—二次场衰减时间；

V／I—归一化二次场电位场。

3 瞬变电磁探测技术的应用实例分析

本文选取的实例为梧桐庄矿，该矿区位于河北省邯郸市南部的峰峰矿区，东距磁县15 km，北距峰峰12 km，毗邻磁县西部。整个井田地处鼓山东南部复背斜，是四周下降且中部抬起的一个地垒构造，呈现的是近似等腰三角形的南宽北狭的一个结构。在地垒构造的基础上，有一定数量的次级褶皱发育，同时有着不等落差大小的断裂，这便是主要的矿区内构造。石炭系上与二叠系下统相统合，矿区中可采每层从新到老包括大煤层、野青煤层、山青煤层、小青煤层、大青煤层以及下架煤层等，其中，厚度最大且埋藏最浅的是大煤煤层。

3．1 数据的采集

梧桐庄矿北翼就是北翼胶带下山，目前已经有着600 m左右的掘进，前面的100 m左右有着相对较大的顶板淋水，左翼150～200 m之间为巷道前进的方向，经三维地震及时可知共有3个含水异常区。采用型号为TEM-47瞬变电磁仪进行设计，采用偶极的方式进行探测。发射框为2 m×2 m，接受框为1 m的直径，接受框与发射框之间有着10 m的距离，10 m的测点距，在前进方向的北翼胶带下山的左翼，向左翼下斜45°以及平探探测，以此对地震勘探解释的正确与否加以验证。130 m巷道前部的顶板淋水，某些地段有着严重的淋水，部分巷道积水，U钢及其他金属物在130～140 m部位堆积，前头向外350～560 m处有电缆吊挂，不良环境加大了资料解释工作量及难度。

3．2 数据处理

将数据采集完毕以后，运用TEMINT仪器软件处理所得数据。经过对数据的滤波以及平滑处理，再加上反演处理和正演处理，进而得出深度-电阻率曲线图，接着采用程序编制予以解释，借助于程序解释调用origin软件与suffer软件对解释结果进行验证对比。视电阻率曲线图见图1。

图1 视电阻率曲线图

3．3 分析探测结果

按照地层情况以及软件解释结果得出结论，见表1。

表1 左翼下斜45°探测异常区表

3．4 存在的问题

对探测精度有着较大影响的原因主要包括：1）管路、锚索、锚杆和铁轨均是强干扰体，已经显现于成果图中。2）底板积水及顶板淋水等，都可能会造成信噪比的下降以及信号的减弱。3）该区域的地段有着较为复杂的地质条件。探测的重点变成怎样反映真实情况以及减少影响，在探测的过程当中将排水量加大，能够减少对地面积水的影响，采用滤波技术便可以得到理想的解释结果。

4 结束语

由上述应用和实际结果可知，瞬变电磁技术可以应用于井下探测技术，以防治煤矿水害。通过使用这种方法，可以对巷道不同位置的异常体进行有效探测。但是，该方法在实际应用中仍然还存在很多问题亟待解决。因此，要不断加强理论知识学习，总结经验，使这一技术更好地服务于井下煤矿防治水工作。

［1］ 张平松，刘盛东，李培根．矿井瞬变电磁探测技术系统与应用［J］．地球物理学进展，2011（3）：18-20．

［2］ 闫 述，石显新．井下全空间瞬变电磁法FDTD计算中薄层和细导线的模拟［J］．煤田地质与勘探，2004（1）：7-10．

［3］ 李培根．井下瞬变电磁探测空间金属体干扰影响测试分析［J］．安徽理工大学学报（自然科学版），2012（3）：89-91．

［4］ 张 凯，侯世宁．井下瞬变电磁探测技术在永夏矿区防治水中的应用［J］．科技信息，2010（25）：25-27．

Application on Transient Electromagnetic Detection Technology in Preventing and Controlling Underground Water of Coal Mine

Wen Feng-ming

With the increase of social demand for coal resources，mining depth of many coal mines are increasing，it will bring a series of problems，such as，appear walking in the ground，underground water disasters，etc．，among them，the coal mine water disasters poses a great threat to the mine safety production，in the event of accident，will turn into a major disasters．Therefore，to realize the safety production of mine，will do a good job in prevention and control of coal mine water，reduce the occurrence of safety accidents．Underground transient electromagnetic detection technology is a technology used to prevent and control coal mine water hazards．The characteristics of this technology are its small size effect，good directivity，detection accuracy，can effectively detect the abnormal body of rich water in mine space，for coal mines provide the corresponding geological technical support．This paper analyzes the applications of transient electromagnetic detection technology in prevention and control underground water of coal mine．

Coal mine；Abnormal body；Detection；Transient electromagnetic detection technology

TD745

B

1672-0652（2013）10-0018-03

2013-07-16

问风明（1969—），男，山西临县人，1990年毕业于北京煤炭工业学校，工程师，主要从事地测及物探方面的研究工作（E-mail）hyzfmkj＠sina．com