矿井瞬变电磁法在含水构造探测中的应用

杨开珍

(中煤科工集团西安研究院有限公司地震勘探研究所，陕西，西安 710077)



矿井瞬变电磁法在含水构造探测中的应用

杨开珍

(中煤科工集团西安研究院有限公司地震勘探研究所，陕西，西安 710077)

[摘要]阐述矿井瞬变电磁法的物性前提、方法理论及基本原理。简单讲述了引发矿井水害的直接因素。为排除此类安全隐患，利用矿井瞬变电磁法对掘进巷道进行超前探测。通过实例研究论证矿井瞬变电磁法对于地质异常预报工作具有较好的应用效果，可查明矿区隐伏地质灾害，在煤矿生产过程中起到了关键性的安全指导作用。

[关键词]矿井瞬变电磁法；超前探测；富水性；电性差异；裂隙发育带

随着矿井建设力度的不断增大，在看到日益增长的经济效益时，煤矿开采过程中会伴随出现各种各样的地质灾害。例如：裂隙发育带、断层、陷落柱、地下暗河、采空区以及小窑巷道等极易富水的地质构造，这类地质构造是造成矿井突发水害的直接因素。因此，要保证矿井的安全生产，采用何种有效手段来查明矿区内隐伏的地质灾害，是煤矿工作者亟待解决的问题。

矿井瞬变电磁法超前探测可以解决煤矿掘进巷道前方富水性构造问题，其克服了井下其它超前探测方法受空间场地限制，需埋设电极等缺陷，具有探测距离远，方向性强，精度高，施工效率高等优点[1]。

笔者通过大量的工程实践和地质验证情况认为：井下瞬变电磁超前探测是解决矿井地质水害的有效方法之一。现就结合山西某煤矿利用瞬变电磁法在巷道掘进过程中进行超前探测应用效果进行探讨论证。

1瞬变电磁物性前提和方法理论

由于煤系地层沉积序列清晰，地层相对稳定，在正常地层组合条件下，横向与纵向上都有固定的变化规律[4]，而岩层中富水或出现其它地质构造时，都会打破原有的电阻率变化规律，与正常区段存在差异，因此，瞬变电磁技术能根据岩层电性差异的特点查明工作面顶、底板及巷道掘进工作面前方水平和垂直方向上的的低阻含(导)水构造。

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic-ods，简称 TEM)[2～4]是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法，利用不接地回线(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(二次场)，该二次场的大小及衰减速度与地下地质体的导电性有关，如果岩石裂隙发育丰富，含水量较大，导电性好，则二次场衰减慢，反之二次场衰减较快。根据二次场衰减曲线的特征就可以判断地下地质体的电性差异、规模和产状等[1～6]。

2矿井瞬变电磁法基本原理[3～6]

矿井瞬变电磁法的基本原理同地面瞬变电磁法的基本一致(图1)。在导电率为σ、导磁率为σ的巷道迎头铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，其中：

在t<0时，电流断开之前，发射电流在回线周围空间中建立一个稳定的磁场。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。在t>0时，一次磁场的这一剧烈变化通过介质传至发射线框周围的围岩中，并在大围岩中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，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场(二次场)。这一过程继续下去，直至地层的磁场能量消耗完毕为止。

图1　矿井瞬变电磁超前探测原理示意图

由于矿井瞬变电磁超前探测是在井下巷道内进行，其测量装置感应巷道周围空间有效探测范围内所有岩层导电性的综合响应。因此，矿井瞬变电磁视电阻率为全空间岩层导电性的综合反映，视电阻率计算公式为：

式中：C为全空间响应系数；S为接收回线线圈面积；N为线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为接收的归一化二次场电位场值。

在巷道中迎头附近，通过接收线圈测量二次涡流场的感应电动势随时间的变化特征，就可以了解巷道迎头附近介质的电磁性质变化规律，进而确定电磁性质异常体的规模、产状和到巷道迎头的距离等。

图2　巷道施工角度控

3矿井瞬变电磁法施工装置与方法

由于井下瞬变电磁法超前探测环境与地面差别很大，回线组合装置不能按照地面条件进行选择。根据井下探测施工条件分析：一是井下探测目标距离施工区域较近(一般地面探测目标区域埋深较大)；二是井下空间异于地面，不能采用地面各种大的回线组合(一般边长在100～600之间)，在井下测量只能采用边长较小(一般为2 m)的回线组合测量。

在探测施工时，测点布置在迎头空间位置，首先使线框平面与顶、底板平面垂直，探头所指方向为探测目标区域方向。其探测方向如图2所示，接收探头与发射线框法线方向从垂直右侧帮方向0°开始，依次0°、15°、30°、……、165°、180°，以探测巷道周围的围岩变化情况，这样可得到位于巷道迎头前方一个锥体范围内地层介质的电性变化情况(如图3所示)，旨在多个方向进行数据采集，从而得到较为完整的前方空间信息。

图3　超前探测体积示意图

4应用实例与分析

笔者以山西某矿2#煤层-3盘区-09工作面回风巷超前探测为例进行论证。

水文地质概述：

本矿区共含煤11层，可采煤层5层，自上而下分别为2#、3#、7#、10#、12#煤层，其中2#、10#煤层为全矿区稳定可采煤层，目前主采2#煤层。2#煤层位于山西组中下部，煤层顶、底板大部分为泥岩，粉砂岩，含水性质主要为裂隙水。采用超前探测技术目的是探查与圈定巷道前方富水区域及隐伏导水通道区域范围，为巷道安全掘进提供参考依据。

图4　09工作面回风巷超前探测成果图(顺煤层方向)

探查成果与验证情况说明：

本次探测主要针对掘进巷道前方顺煤层方向未知区域异常位置进行圈定，探测范围为迎头掌子面左、右帮及巷道正前方100 m扇形区域。物探成果如图4显示，设定迎头掌子面测量点为坐标原点，横轴为X坐标，竖轴为Y坐标，在探测范围内主要发育有1处较为明显的瞬变电磁异常区，该异常位于X坐标-22～10 m、Y坐标10～40 m区域内。根据矿区及测区水文地质情况分析：推测该异常主要为迎头前方瞬变异常对应空间位置内煤岩层裂隙较为发育且赋水所致。

为进一步查明异常性质，保证巷道安全掘进，矿方对异常区进行了井下超前钻探作业。在迎头钻窝位置共施工5个钻孔，1号钻孔孔深16 m，掘进至11 m

时出现塌孔现象，16 m时卡钻无法钻进。2～5号钻孔孔深均为130 m，2～4号孔在钻进过程中出现不同程度的返水，卡钻现象。5号钻终孔后未见有明显异常现象出现。

在钻探施工，终孔不返水后，矿方对巷道进行安全掘进，掘进至迎头前方10 m处，巷道顶板开始出现破碎，煤质松软现象，掘进至50 m后异常现象逐渐消失，50～100 m之间未揭露有明显的地质异常现象。

综合分析：瞬变电磁法划定的异常范围与钻探验证情况相互对应，与巷道掘进揭露情况基本吻合，说明瞬变电磁法在超前探测中具有探测异常范围准、精度高的特点。

5结语

通过本次应用实例分析，矿井瞬变电磁法在探测裂隙发育带及含水构造区具有较好的应用效果。该方法在井下巷道超前探测方面具有施工方便、操作简单快捷、不受现场狭小空间限制、成本低、技术比较成熟、效率高、不影响巷道的正常掘进等优点。为巷道安全掘进起到了关键性的指导作用，为矿井防治水措施的提前制定提供可靠依据。

但利用单一手段在煤矿井下进行防治水工作可能会存在较大漏洞，矿井瞬变电磁法探测技术为“非接触式”探查手段，成果仅从物性角度对异常区进行靶区圈定，而结合钻探资料对物探成果进行可靠性分析和验证，是保证矿井巷道安全掘进的直接性手段。

矿井瞬变电磁法作为一种较为成熟的探测手段，至今还存在许多应用弊端，例如：井下环境对该方法的干扰，煤壁锚网、皮带架、铁轨对于电磁场干扰有多大，迎头积水对于探测成果有无影响，发射线框距离迎头掌子面距离多少探测效果最好？为完善瞬变电磁技术方法，实现超前探测技术的成熟应用，仍是我们在今后的工作中急需论证与解决的问题。

参考文献

[1]赵文曙，刘军，李永军. 瞬变电磁法在圪堆煤矿含(导)水构造超前探测中的应用[J]. 华北科技学院学报.2014，11(3)：1-5.

[2]常杰. 瞬变电磁法巷道超前探测[J].华北科技学院学报.2011，8(3)：4-7.

[3]王扬州，于景邨，刘建，等.瞬变电磁法矿井超前探测[J].工程地球物理学报.2009，6(1)，28-32.

[4]刘志新，于景村，郭栋. 矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用[J].物探与化探.2006，30(1)，59-61.

[5]宋忠亮，闫家法. 瞬变电磁超前探测技术在安阳煤矿巷道掘进中的应用[J]. 山东煤炭科技.2012，5，7-9.

[6]苏俊辉，刘朋. 以岩石电性差异为基础的瞬变电磁超前探测技术[J].中国高新技术企业.2010,4(139)，44-45.

Application of Mine Transient Electromagnetic Method in the Detection of Moisture

YANG Kai-zhen

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Seismic Exploration Institute, Xi’an 710054, China)

Abstract:This paper states the mine transient electromagnetic method including physical premise, theory and basic principle. It simply tells the story of the direct factors leading to mine water disasters. To rule out such security hidden danger, the mine transient electromagnetic method is used in roadway advanced detecting. Having found out the concealed geological disasters in mining area, the mine transient electromagnetic method has played a key role in the process of coal mine production safety for good applications effect in abnormal geological forecast.

Key words:Mine transient electromagnetic method；advanced detection；water content；the difference of electrical；fracture belt

[中图分类号]P631.3

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0114-02

[作者简介]杨开珍(1983-)，男，山西忻州人，工程师，主要从事地球物理勘探方面的技术研究工作。

[收稿日期]2015-12-13