深部巷道瞬变电磁观测系统优化及其应用

2013-04-20刘亚军邱卫忠

中国煤炭 2013年2期

关键词：导水扇面电阻率

刘亚军邱卫忠谷伟

（1.太原理工大学，山西省太原市，030024；2.同煤集团雁崖煤业公司，山西省大同市，037000；3.山西省煤炭地质115勘查院，山西省大同市，037000；4.福州华虹智能科技开发有限公司，福建省福州市，350004）

1 瞬变电磁观测系统分析及优化

1.1 瞬变电磁的优点

瞬变电磁法非常适合在空间狭小、条件复杂的矿井环境下应用，是目前在矿井探水中应用最广泛的物探方法，该方法主要有以下特点：

（1）测量设备轻便，工作效率高；

（2）采用小线圈测量，点距更密（一般为2～10m），体积效应降低，横向分辨率提高；

（3）测量装置靠近目标体，异常体感应信号强，具有较高的探测灵敏度；

（4）小线框发射电磁波的方向性明显，探测目标区域更具针对性等。

1.2 瞬变电磁法受的制约条件

（1）施工环境需要清理，探测中受到的干扰因素太多；

（2）纵向分辨率低，对低阻区域到探测位置的直线距离把握不准；

（3）低阻屏蔽，其主要影响为屏蔽了低阻区域后方的信息，不能判断低阻区域的纵向范围，限定了当次探测的有效深度只能达到最近低阻范围的近边界；

（4）近距离内存在盲区，近距离内有效信号受到一次场压制。

1.3 提高瞬变电磁法探测精度的方法

（1）提高探测密度，提高探测的横向分辨率。以工作面探测为例，在巷帮等间距探测观测点，探测点的密度应控制在3～5m，太大会造成探测精度降低，无法控制异常区域的横向间的联系。

（2）在统一背景条件下进行探测。例如在工作面探测时一般在巷道中按照小于5 m 的间距等间距布置测点对工作面内进行探测。但是在巷道中存在大量的金属干扰情况下受到金属设备干扰其解析难度较大，此时应该选择一段没有金属设备的位置，布置扇形观测系统即可有效统一背景场，提高探测的准确性并降低解析难度。扇形观测系统的布置方法为以巷道探测方向另一侧巷帮上一点为圆心，从该点开始布置探测方向，在保证探测方向固定的前提下使重叠回线装置尽量靠近所探测的一帮即可。

（3）不同方向对同一位置进行多次探测覆盖。例如在某巷道中1036m 和981m 两个位置分别按照前面第（2）条所述的方法布置扇形观测系统，对巷帮一侧距离巷道约50～70m 的一处地质异常区进行探测。对在每个位置获得的探测结果分别进行数据处理，获得的探测成果如图1所示。为了便于比较，图1中在巷道1000m 的位置用粗实线表示。对两次探测异常区叠加位置分析，以此消除低阻屏蔽的影响，有助于正确分析出低阻范围的大小。此实例中通过从不同方向对同一地质异常进行多次探测达到了准确判断该低阻区域边界的目的。

图1 不同方向对同一低阻区域进行探测效果对比图（单位：m）

（4）将纵向探测改变为横向探测。充分利用瞬变电磁法横向分辨率高，纵向分辨率低的特点。面内构造走向与巷道在夹角比较大时，从巷道中等间距布置测线探测导水构造的宽度具有优势。而在面内构造走向与巷道在夹角比较大时，从巷道中布置测线对跟踪导水构造更有利。

2 工程实例

山西大同永财坡煤矿回风巷掘进工作面向前钻探5m 时钻孔出水，涌水量30～40m3／h，涌水持续十数天，为了查明涌水来源和导水通道，特进行了一次瞬变电磁法探测。根据本次探测任务的要求和巷道条件的实际情况，采用2m×2m 的多匝数矩形回线重叠装置进行测量。根据勘探任务，将线框直立于巷道及底板，并靠近探测异常所在方向侧帮。发射线框和接收线框分别为匝数不等、且完全分离的两个独立线框，以便于与地下（前方）异常体产生最佳偶合响应。

探测的巷道宽5m，高2.8m，地面积水，多个位置放置了水泵、变压器等金属设备，掘进工作面上有两个钻孔涌水，涌水量为30～40m3／h。在此次施工设计中，特别注意要采取几项措施。

（1）排除地面积水和电磁干扰的影响，方法为间歇排水。

（2）排水和探测交替进行，探测时将水泵的电源关闭，避免地面积水低阻干扰和用电器电磁干扰。

（3）避开巷道内用电金属设备的影响。由于排水需要，不方便把水泵和开关等设备移到较远的位置。解决方法为在探测中充分利用这些设备之间的空间，选择回线重叠装置法线可以避开这些设备的角度进行探测。

（4）增大探测精度，方法为充分利用横向探测精度高于纵向探测精度的特点，在探测结果未知时，保证对每个方向进行较高密度的横向探测和一定量的纵向探测，保证探测精度。对每一个方位实现不同方向的多次覆盖，最大程度消除低阻屏蔽效应的影响，真实反映低阻范围的大小。方法为选择不同探测点，在每一个探测点形成较大范围的探测扇面，使每一个区域均有多次探测扇面覆盖。

最终设计的观测系统包括7个观测剖面，其中剖面1～3 为横剖面，剖面4～7 为纵剖面，分别为：

（1）剖面1探测点位于距掘进工作面4m 的位置，向右帮水平探测形成探测扇面；

（2）剖面2探测点位于掘进工作面位置，向掘进前方水平探测形成探测扇面；

（3）剖面3探测点位于距掘进工作面4m 的位置，向左帮水平探测形成探测扇面；

（4）剖面4探测点位于距掘进工作面10m 的位置，向右帮垂直面探测形成探测扇面；

（5）剖面5探测点位于掘进工作面位置，向右前方垂直面探测形成探测扇面；

（6）剖面6探测点位于掘进工作面位置，向左前方垂直面探测形成探测扇面；

（7）剖面7探测点位于距掘进工作面10m 的位置，向左帮垂直面探测形成探测扇面。

按照以上观测系统进行施工并对每个剖面的数据单独处理，获得探测成果如图2所示。在图2的所有视电阻率剖面图中，用平面图表示相应的探测曲面；各视电阻率剖面中各个位置到探测点的直线距离均为实际距离，每个剖面图中坐标轴的单位为m，坐标（0，0）位置为掘进工作面所在位置，单位为m；剖面图中视电阻率等值线显示了剖面内岩层阻值的分布规律，单位为Ω·m。一般地，同一岩层中视电阻率越低，表示对应位置的富水性越强，图中用深色表示视电阻率相对较低的位置。

图2 各探测剖面视电阻率成果图（单位：m）

以上剖面1～3为同层视电阻率分布图，剖面4～7为对应方向顶板到底板之间的视电阻率纵剖面图。剖面4及剖面7显示顶板岩层高阻，含水性较弱，而顺层偏低板方向阻值较低，说明主要含水层位位于目前掘进层位的下方，为目前巷道内涌水的主要水源或导水通道，导水通道为断层破碎带。

由于瞬变电磁法探测会将大范围低阻范围之后的区域显示为低阻，而剖面2显示迎头正前方通过导水通道后的区域阻值仍然较高，说明前方导水通道宽度不大，综合考虑剖面1、剖面2、剖面3探测结果显示的低阻区域空间关系，预计导水通道的宽度在3～8m 之间。

掘进前方5m 出现导水通道，结合剖面1、剖面2、剖面3探测结果，可以判断目前掘进头前方的导水通道为陷落柱的可能性较小，而应该是面状构造如断层、破碎带的可能性较大，且其走向大角度与巷道方向相交，交角介于70～80°之间。

剖面4及剖面7显示顶板岩层高阻，含水性较弱。而剖面5和剖面6显示掘进工作面两侧侧前方顶板方向均出现比较强的低阻范围。说明导水通道向前方顶板方向延伸。剖面4及剖面7显示底板方向显示为低阻，说明导水通道在底板方向是向后延伸。导水通道的倾向巷道这一方，根据探测的低阻区域空间位置，计算得其倾角介于60～70°之间。

通过此次探测，可以判断此导水构造为一宽度不超过8m 的断层裂隙带，其走向与巷道交角介于70～80°之间，倾角介于60～70°之间。通过物探手段基本上控制了该导水构造的形态，后经矿方钻探资料验证，与实际情况相符。