矿用瞬变电磁仪探测技术在50101综采工作面的应用

文/郝彦青

矿用瞬变电磁仪探测技术在50101综采工作面的应用

文/郝彦青

山西宁武能源投资有限责任公司50101综采工作面位于井田西部边界，属厚煤层，煤层沉积较稳定，煤层倾角较平缓，赋存稳定，顶板为深灰色细砂岩，底板为黑色泥岩或灰色砂质泥岩。受断裂构造影响，局部煤层松软破碎，厚度有一定变化。对工作面推进有影响的主要含水层为2#煤顶板和底板砂岩含水层。顶板含水层富水性弱,补给条件差,主要以静储量为主，根据50101顺槽掘进情况来看,掘进过程中顶板局部有滴水或淋水出现,在遇有裂隙或断层时淋水会加大。50101工作面巷道回采过程中顶板同样具有上述现象，预计顶板最大涌水15m3/h。

为避免工作面推进中直接揭露含水构造，宁武煤业公司于2012年年初完成了井下50101回采工作面瞬变电磁法井下原始数据的采集。采用矿用瞬变电磁仪探测超前位置，探测前方顶板、顺层和底板的低阻体异常及分布范围，以及分析测区内含水构造形态及水力联系，从而对测区内煤层开采或水害治理提供物理探测技术依据，并为布置探防水钻孔设计提供依据，为50101工作面安全回采提供了保障。

一、矿井瞬变电磁（TEM）法的原理

瞬变电磁技术(TransientElectromagneticMethod,简称TEM)是近年发展较快并得到广泛应用的一种勘探方法。它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

受矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，矿井瞬变电磁法在井下的探测深度可以有效解释180m左右，具有以下特点：

1．采用边长1.5m的多匝回线装置，与地面瞬变电磁法相比，数据采集劳动强度小，测量设备轻便，工作效率高，成本低；

2．采用小规模回线装置系统，保证了数据质量，降低了体积效应的影响，提高了勘探横向分辨率；

3．井下测量装置距离异常体更近，提高了测量信号的信噪比，实验表明，井下测量的信号强度比地面同样装置及参数设置的信号强度大得多；

4．地面瞬变电磁法勘探一般只能将线框平置于地面测量，而井下瞬变电磁法测量方式灵活，可以将线圈放置于巷道底板测量，探测底板一定深度内含水性异常体垂向和横向发育规律，也可以将线圈直立于巷道内，当线框面平行巷道掘进前方，可进行超前探测；当线圈平行于巷道侧面煤层，可探测工作面内和顶底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律；

5．矿井瞬变电磁法对高阻层有较强的穿透能力，对低阻层有较高的分辨能力。

二、在50101综采工作面的施工布置及技术措施

1.防治水措施：工作面在推进过程中,应坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先探后采”的探放水原则；在接近断层时提前探放水,回采在施工至断层60m时提前进行电磁仪物探探查该断层的富水或导水性；工作面在施工过程中,应及时安设好排水设备,完善排水系统。

2.矿井瞬变电磁法勘探试验施工布置与工作量：沿巷道迎头布置测线3条，通过在迎头移动发射接收线圈，形成3条超前探测的实测剖面。每条测线11个物理点，总计33个物理点。

3．施工技术措施：矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数5匝。供电电流档为50A，供电脉宽10ms，采样率16?S。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

4．质量评述：50101综采工作面矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按《瞬变电磁法技术规程》《电阻率测深法技术规程》执行，通过加大发射功率的方法增强二磁场，提高信噪比等方法，提高了数据采集的准确度，保证了施工质量。

三、矿用瞬变电磁仪物探勘探成果

采取由已知到未知，由点到线，由线到面，由简单到复杂的解释原则，首先，对探测数据进行地下半空间和地形较正，消除地形对采集数据的影响；其次，对地质不均匀体进行较正，消除不确定地质因素对所采集数据的影响。通过数据处理，给出了每条测线探测的等视电阻率剖面图；第三，结合地质资料，把物探异常转化为地质异常。

仪器采集的原始数据为归一化电位值，即电位对电流的比值。将数据室内回放，原始数据打开后呈现如图2所示的两部分曲线，纵坐标表示某个测点的实测V/I值，从上到下依次为1~32道，可以选择更多道数。

多测道视电阻率剖面图

纵坐标分别表示归一化电位值为10-2到104，以对数方式显示，横跨六个数量级，单位为“微伏/安培”；横坐标表示该记录的若干个测点记录，即实际采集了多少个采样点；“x”表示第几个测点记录，“y”表示该测点某测道的实测V/I值。图例右侧表示多测道时间的标注，时间从400us开始到60ms结束，中间分30个测道，不同测道用不同颜色标注。

由图可横向分析出测区的电性大致分布趋势，峰值越大表示该区域地下的导电性较好，视电阻率就越趋于小，相对显示低阻异常。可作为后续的数据处理及异常区判断的原始根据。纵向可从多测道图的疏密程度来分析不同深度视电阻率的高低，曲线密集处表示该区域地下的导电性好，视电阻率小；曲线稀疏处表示该区域导电性差，视电阻率高。经过相关计算可以得出每个测点的视电阻率值，然后用作图工具制作成图，并结合公司现有地质及水文地质情况直观地判断测区岩层的电性分布特点。

1．50101综采工作面（距巷口734m）1、2、3号线侧帮物探资料解释：

50101综采工作面侧帮探测共获得实测扇形剖面3幅，分别为距工作面180m处，前上方45°仰角探测扇形剖面、侧帮顺层探测扇形剖面、侧帮下方45°俯角探测扇形剖面。

（1）1#低阻异常区位于回风顺槽水平向左，工作面方向60~180m处，异常形态呈局部块状。根据实际现场情况，需进行左侧帮方向的钻探验证。

（2）2#低阻异常区与硐轴线夹角70°~80°左右，斜向上30°方向，距离运输顺槽80~180m处，异常形态呈水平带状。该低阻异常较为明显，需进行该方向的钻探验证。

2．50101综采面沿煤层倾向2号线探测扇形剖面解释：

（1）1#低阻异常区相对回风顺槽来说：位于水平工作面方向，距离工作面约40~90m处，该区域低阻异常反应较为明显，根据实际现场情况，需向该方向进行钻探验证。

（2）2#低阻异常区：位于运输顺槽一侧，与硐轴线夹角80°~90°之间，顺层方向，距离运输顺槽约90~ 180m处，异常形态呈水平带状。该区域低阻异常反应较为明显，需进行该顺层方向的钻探验证。

3．50101综采面探测向下方45°俯角探测扇形剖面解释：

1#低阻异常区位于运输顺槽方向，与硐轴线夹角70°~80°之间斜向下45°方向，距离运输顺槽约110~130m处。根据实际现场情况，需进行该方向的钻探验证。

（作者系山西宁武能源投资有限责任公司董事长）

（责任编辑：周琼）