瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用

唐福瑞

山西华晋韩咀煤业有限责任公司

瞬变电磁法在煤矿防治水工作中的应用

唐福瑞

山西华晋韩咀煤业有限责任公司

目前在影响我国煤矿安全高效生产的诸多因素中，矿井水害占较重的比例，特别是以房柱式采空区林立的韩咀矿水害威胁尤为突出。本文介绍韩咀矿探测富水区常用的矿井瞬变电磁法，着重阐述了矿井瞬变电磁法的基本原理、工作方法，并以实例说明矿井瞬变电磁法在韩咀矿富水性探测方面的应用效果。

瞬变电磁法；房柱式采空积水区；水害

引言

韩咀矿水文地质类型中等，其井田边界内小窑林立且多以房柱式采空方式采掘。这样就急需一种行之有效的物探方法对韩咀矿在掘巷道迎头前方可能存在的含水体的空间位置及大小进行准确的预测预报，达到保障人员、设备安全的目的。

瞬变电磁法是利用不接地回线于井下巷道内设置通以一定电流的发射线圈，发射电流会在回线周围空间中建立一个稳定的磁场。由于电磁场在空气中传播的速度很快，当电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围巷道顶、底板和侧帮，因此，最初激发的感应电流局限于巷道附近的岩层中。感应电流的分布是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道顶、底板处感应电流最强。随时间的推移，巷道周围的感应电流逐渐向外扩散， 强度逐渐减弱，分布趋于均匀。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状，该电流环随时间推移向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像是从发射线圈中吹出来的“烟圈”，将电流向外扩散的过程形象的称之为“烟圈效应”。

1 矿井瞬变电磁探查技术

1.1 测量装置。发射功率和发射磁矩与矿井瞬变电磁法的探测深度有关，较大的发射功率和发射磁矩有利于增强感应信号幅值，延缓感应信号的衰减时间，增强信噪比，进而提高探测深度。发射功率W=U×I(U为供电电压，I为发射电流)，发射磁矩M=S×N×I(S为发射线圈的面积，N为匝数)。根据煤矿安全规程中的煤安要求，发射电流不能过大；增大供电电压则需要增加串联的电池数量，给施工带来不便；增加发射线圈匝数又会导致关断时间变长，无法探测到更浅部的异常构造，又考虑到巷道迎头附近空间有限，不能采用大尺寸的线圈组合。通过多次数值模拟与物理实验，设计了2m×2m的多匝数方形重叠回线测量装置，实验结果显示，该装置对模拟巷道前方异常构造特别是含水构造效果明显。实践表明，采用此类装置具有轻便快捷、与巷道迎头前方异常构造耦合好、信噪比高等优点。

1.2 施工方法。井下施工时，设计如下九个测点。当巷道迎头前方存在较大的未知构造时，会破坏岩层的整体性从而使岩层电性产生明显差异，通过分析巷道左、右侧帮与迎头前方的视电阻率等值线图，可以看出岩层电性变化明显的位置，从而推断出未知构造的位置，对含水构造效果尤其明显。（见图1）

根据矿井水文地质资料分析，确定巷道迎头前方可能发育的构造特别是含水构造距迎头的距离，依据瞬变电磁场“烟圈效应”理论，结合井下巷道的实际条件，将测量装置布置在巷道迎头附近，确保巷道迎头前方可能发育的构造在一次场辐射的锥体范围内，根据电磁感应定律，有较大构造的位置产生的感应涡流场与无较大构造处存在明显不同，在一次场关闭后，接受回线中将感应不同的二次场。如果构造不在一次场辐射的锥体范围内，将不会产生异常的感应涡流场。因此，矿井瞬变电磁探查方向设计的准确性直接影响到其探测效果。

为了更准确的分析巷道迎头前方视电阻率等值线的异常位置所在，我们设计将1-3和7-9号测点数据分别绘制到与4-6号测点数据平行的迎头断面上，将左、右侧帮和迎头前方的视电阻率等值线整合在一张矩形图上，这样可以非常直观的通过对比左右侧帮与迎头前方岩层的电性差异，推断出较大构造的位置。所测得的数据经过矿井瞬变电磁处理软件采用预处理、时深转换和深度校正等步骤，生成dat文件，然后调用surfer软件，从而绘制出视电阻率等值线图。

2 应用

通过综合利用井下及地面瞬变电磁探测成果，我们对异常区的大概范围进行了圈定。由于瞬变电磁法纵向分辨率很低，井下瞬变电磁探测的成果是无法实现对含水体位置的准确定位的。我们利用地面瞬变电磁较高的横向分辨率从整体上把握采空区的水平分布范围，利用地面瞬变电磁取得的采空边界信息对井下瞬变电磁数据的时间-深度反演进行反向干预，达到准确解释含水体赋存范围的目的，使得在1211辅运巷的采掘规划重新得到合理的安排。（见图2）

图1 矿井瞬变电磁超前探测测点布置

图2 1211辅运巷580m处瞬变电磁探测成果图

结论

后期的钻探验证情况表明：物探异常区与钻探出水点分布区域吻合良好，达到了物探对灾害水源预测预报的目的。

经过多次探测，表明瞬变电磁法探测采空区、积水区是科学准确的。利用瞬变电磁法能强化煤矿防治水能力，丰富了防治水的技术手段，为采掘工作面的安全生产提供可靠的地质保证。但没有任何一种技术手段是绝对正确的，在实际工作中，应采取多种物探钻探手段进行多方位的验证，从而保证工作面的生产安全。

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