瞬变电磁法在矿井水文勘察中的应用

段阳　张洋

【摘 要】井下瞬变电磁技术对低阻体反应敏感，可探测矿井下含水构造，以千秋煤矿为例，通过对地面水库进行勘查，分析评价勘查区的赋水情况，为该矿井的安全生产提供科学依据。

【关键词】瞬变电磁法；水库；电性低阻区

瞬变电磁法属时间域电磁法，是利用不接地回线向地下发送脉冲式一次场，用线圈观测由该脉冲磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场（纯异常场）的空间和时间分布，达到在时间上由先到后、深度上由浅（近）及深（远）的探测目的。

1 勘探区概况

山韭沟水库位于义马市千秋煤矿一水平回风大巷北侧，临近三号进风井，对应山韭沟煤矿采空区，直线距离为180m。由于矿井一水平煤层已采完，二水平正在开采，生产区的地表都有不同程度的缓慢下降，造成很多塌陷坑，岩石垮落造成裂缝与地表沟通，通过雨季降雨补给，水库水位漫过堤岸，易通过山韭沟煤矿采空区渗入千秋煤矿一水平，对千秋煤矿的一水平大巷、姚二地区及姚三地区造成水害威胁。

水库面积为30000m2，积水量约150000m3，水面标高+510m。受水害威胁的矿井一水平大巷标高+320，矿区地表覆盖基本为第四系黄土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。历年各月平均降水量7月份最大，为164.9mm；7、8、9三个月降水量占全年降水量的54.8%。日最大降水量为138.1mm（1982年7月30日），历年最大连续降水日数12天，降水量达132.1mm，最长连续无降水日数79天。因地表黄土层较厚，雨水易被吸收，但遇到洪水时易形成泥石流、滑坡等事故。

为确保该水库对千秋煤矿一水平地区不造成水害威胁，或出现水害威胁不造成人员伤亡、财产受到损失。特在千秋煤矿井下对应位置进行瞬变电磁勘探，利用瞬变电磁法探查矿井一水平+320大巷与山韭沟水库之间的岩层富水情况，为矿井的安全生产提供科学依据。

2 勘探区水文地质条件

依据地层与组成岩石的给水性、 透水性特征及地下水的赋存条件，由下至上分为三叠系延长群隔水层、侏罗系中统义马组底砾岩孔隙～裂隙承压含水层、侏罗系中统义马组二煤顶板泥岩隔水层、侏罗系中统马凹组砾岩孔隙～裂隙承压含水层、侏罗系中统马凹组粉砂岩隔水层、侏罗系上统巨厚砾岩孔隙～裂隙潜水～承压含水层、第三系泥灰岩，砾岩岩溶孔隙～裂隙潜水～承压含水层、第四系隔水层和第四系底部砾卵石层孔隙潜水含水层。

山韭沟水库地区的地表覆盖基本为第四系黄土，丘陵地貌，厚度最大37.4m，平均15.0m。2016年3月份对该水库巡查时，发现该水库南侧5m有一小煤窑井筒（130m），封填不实（4月2日已进行封填）且存在水力联系，5月1日再次对该水库水位观测时，水面下降为1.25m，判断通过小煤窑井筒渗入水量约11000m3。

在山韭沟水库和一水平回风大巷之间有两个断层，断层产状分别为：157°∠45°-70° h=2.2，走向近南北，走向长度230m；216°∠47°-72°H=1.5，走向近南北，走向长度100m。山韭沟水库积水渗入井下后，可能通过断层裂隙进入一水平回风大巷和一水平轨道大巷。

3 瞬变电磁法的应用

矿井瞬变电磁法勘探技术是以地面瞬变电磁法勘探的基本原理为理论依据，并在其基础上经过发展演化而来的，所不同的是，矿井瞬变电磁法需要在井下巷道内有限的空间中进行施工，瞬变电磁场的响应在线圈平面的上下2个空间布置。

3.1 工作原理

在发射线圈上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场信号，由接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现良导体的存在。

3.2 设备及工作方法

井下瞬变电磁勘探系统主要由发射机、接收机、发射线框、接收线框、同步线、外接电源等几部分组成。其中探测环境条件要求：（1）探测范围内不能有大型金属，以免对电磁信号的接受造成影响。（2）探测巷道要满足线圈布置需要。（3）工作场所及附近地区要停电，电缆及金属管路不能横穿发射及接收线圈，做大限度地减少各种干扰信号。

2016年4月18日，对矿井北部地区的山韭沟水库井下对应位置进行了瞬变电磁勘探，勘探地点位于矿井一水平+320大巷的巷道中，共设计2条测线，即一水平+320大巷北侧帮顺层测线、北侧帮30°仰探测线；三号进风井东侧帮顺层测线、东侧帮30°仰探测线。2条测线长度均为1400m，各设计测点140个。利用一个不接地的回线，向山韭沟水库方向发射脉冲电磁波做为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（称为“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性，推测解释山韭沟水库与巷道之间地层的几何和物性特征。

4 主要解决问题

瞬变电磁法定向性好、对水敏感、控制范围大，利用现有巷道对山韭沟水库方向实施侧向探测，确定隐伏含水异常范围及位置，为矿井防治水提供技术依据。鉴于积水区域的不规律性，通过侧向探测可探明侧方150-200m范围内的充水范围及位置，减少和避免因条件不清造成的溃水事故。

千秋煤矿瞬变电磁勘探结果，如图1所示：

图1中显示共发现4处电性低阻区，从东到西分别为1#、2#、3#和4#区。根据测区内矿井的废弃老巷、小煤窑的积水情况、采掘分布、井上下水样分析等资料进行分析，确定山韭沟水库积水未对井下巷道造成水害威胁。

5 结语

作为一项新的井下探水技术，瞬变电磁法具有快速、简便、测距大、对水敏感、定向性好等优势，已成为矿井物探技术的重要手段，解决了矿井不明水害威胁影响生产的问题，增强了探测的准确性。

初步应用表明，该方法在探测隐伏水害威胁方面效果明显。采取有效措施进一步提高探测距离、解释精度及不含水构造范围圈定等，是矿井防治水的主要研究应用方向。

【参考文献】

[1]杜木民.井下瞬变电磁探水技术初探[J].河北煤炭出版社，2006.

[2]母晓培.瞬变电磁法在豫西某矿井水文勘查中的应用[M].中州煤炭出版社，2015.

[3]李树东.矿井瞬变电磁法环境因素的影响及校正[M].中州煤炭出版社，2015.

[责任编辑：朱丽娜]