瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用

刘广亮

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

瞬变电磁法在煤矿超前探测中的应用

刘广亮*

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

介绍了瞬变电磁法工作原理、施工方法、应用实例。瞬变电磁法是一种煤矿常规的物探方法，工作效率较高。它对煤矿顶底板含水层、老空区等低电阻目标物敏感，所以主要用于探测煤层富水情况。通过实际应用看出，瞬变电磁法在煤矿探水中具有很好的应用前景。

瞬变电磁；原理；工作面；应用

1 概述

在煤矿工作面开采中，常会遇到底板承压水、老空水、顶板含水层等含水异常体的影响，严重时甚至造成重大的安全事故。煤矿水文地质条件多样复杂，传统地质学方法很难准确判断，要想提高准确率，结合地球物理勘探是当务之急。矿井瞬变电磁法是井下探水常用物探方法[1-3]，其特点是方便快捷、效率高、探测方向性好。矿井瞬变电磁法对含水体表现为低电阻区，接收线圈接收到的是激发涡流感应出的二次场，不论含水异常区如何分布，都能得到有用信息，利用专门软件可得到视电阻率剖面图[4-6]。本次实例是利用中心回线发探测，接收装置为磁探头，具有抗干扰能力强、方向性好的特点[8]。

2 矿井瞬变电磁法原理

矿井瞬变电磁法的发射源形式分2种，一种是磁源发射，另一种是电流源发射。在均匀各向同性大地表面设面积为s的矩形发射回线（导电率为σ、导磁率为μ），供阶跃脉冲电流：

如图1所示为电流断开时，电流在发射线圈周围同地下空间中建立起的稳定磁场。

在t=0时刻，在电流突然断开时刻，由回线框产生的磁场消失。一次磁场的突然变化传到大地中，因而在大地中激发出感应电流，使大地中的磁场不会立即消失。由于介质的热损耗，感应电流发生迅速衰减，由它产生的磁场也迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的介质中感应出新的强度更弱的涡流[7]。这一过程持续下去，直至大地的热损耗将磁场能量消耗完。这就是大地中的瞬变场变化过程。

图1 矩形回线框磁力线

矿井瞬变电磁法基本原理等同于地面瞬变电磁法。但是矿井瞬变电磁探测施工是在煤矿巷道内进行的，瞬变电磁场为全空间分布，矿井瞬变电磁探测必须考虑全空间效应。煤层在不含水的情况下为高阻介质，电磁波通过消耗较少，因此煤层对瞬变的屏蔽性没有像对直流电场那样明显，故接收线圈接收到的信号综合反映了周围全空间岩石电性参数，如图2所示。

3 仪器及方法

本次探测使用YCS2000矿用瞬变电磁仪，该仪器是为煤矿井下探测含水和导水地质构造而制造的电磁法勘探仪器。该仪器采用当前最新的电子技术，极大地提高了仪器的抗干扰能力和测量精度。仪器具有以下特点：发射电流大，能保证良好的勘探效果及远距离探测；采用目前唯一的井下防爆磁探头接收，具有受旁侧局部金属体影响小，分辨率高的特点；探头等效面积较大，为450m2；仪器体积小，携带及施工方便的特点；探测盲区小于10m，叠加次数最大可达到10000次，连续工作时间长，不小于8h。

图2 全空间瞬变电磁场的传播

4 应用实例

4.1 地质概况

淮北某矿矿区表层为第四系冲积覆盖层，覆盖厚度为45.02～83.76m不等，形成一个北部偏高，南中部偏低的山间盆地平原。海拔高度一般在+30～+32m之间。因地下煤层开采，在矿井东南、西部方向形成总面积约10km2的塌陷区，塌陷深度一般1～5m，最深处可达6m，现部分已回填，部分为积水区。为保证煤矿安全掘进和开采，尤其是在巷道掘进过程中预防前方水患灾害，开展一定的物探工作是十分必要的。

4.2 资料处理

巷道内布设的锚网、给排水管等在本次井下电法探测施工环境中近似均匀存在，其对电磁场的影响相对均一，对资料的处理可看作背景场。处理得到的视电阻率等值线断面图如图3所示。图中横坐标表示沿巷道方向距离，纵坐标表示向侧帮内探测深度距离。

图3 连续顺层探测电阻率分布叠图

4.3 成果解释

从11月24日到12月20日跟踪探测可以看出，11月24日和11月28日两次探测结果均显示在探测点右帮0°～60°范围内，深度20～70m存在低阻异常，图中已用圆圈圈出。其他几天的跟踪探测结果显示巷道内部并无明显含水异常，建议打钻验证。

11月28日探测出现异常后，矿方在探测点布设一个钻孔，钻孔出水量约1000m3，当巷道掘进约45m后再次布设2个钻孔，钻孔出水量约500m3，两次排出积水1550m3，打钻情况与探测结果吻合。

5 结论

根据验证结果可以看出瞬变电磁法在工作面富水区域探测中效果明显，有良好的推广价值。瞬变电磁法是煤矿富水区探测有力的物探方法。与其它电探方法相比，瞬变电磁法施工方便、快捷、效率高、方向性好、对含水体反应敏感，在实际应用中收到了很好的效果。对煤系地层应该加强基础研究，提高瞬变电磁法资料解释的准确性，做好煤矿突水事故的预防预报工作。

[1]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.

[2]方文藻,李予国,李貅.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社,1993.

[3]傅良魁.电法勘探教程[M].北京:地质出版社,1983.

[4]严良俊,徐世浙.中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像方法及应用[J].煤田地质与勘探,2002,30(6):58-60.

[5]苏林,刘鑫明,刘燚.瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用[J].工程地球物理学报,2011,8(1):6-9.

[6]张开元,韩自豪,周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].工程地球物理学报,2007,4(4):341-344.

[7]张天宝,周良慧,陈侃福,等.瞬变电磁法在祝源隧道勘察中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(1):53-56.

[8]陈小红,白运,郑凯,等.基于全区视电阻率的中心回线瞬变电磁快速成像研究[J].工程地球物理学报,2011,8(1):38-41.

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1004-5716(2015)12-0143-02

2015-07-07

2014-07-09

刘广亮（1980-），男（汉族），山东泰安人，工程师，现从事煤矿井下地球物理探测研究工作。