矿井瞬变电磁法在探测煤矿顶板富水性中的应用

宋林君　翟培合

摘 要：介绍了矿井瞬变电磁法的基本原理和该方法在探测煤矿巷道顶板富水性中的原理、技术、方法和应用，并通过实例应用验证了矿井瞬变电磁法在煤矿顶板富水性探查中的有效性，为井下瞬变电磁法勘探工作提供了实例参考。

关键词：矿井瞬变电磁法；顶板；富水性

前言

煤炭是我国的主体能源，在国民经济中有着重要战略地位。煤矿水害是矿山生产建设中的主要灾害之一，矿井水害时有发生，造成的经济损失和人员伤亡极为惨重。矿井瞬变电磁法勘探和其他物探方法比较有着成本较低、工作效率高、横纵向分辨率高、能穿透高阻覆盖层和对低阻反应灵敏的优势。

1 瞬变电磁法探测技术原理

1.1 地面瞬变电磁法

瞬变电磁法（Time domain Electromagnetic Method，简称TEM）是利用电磁感应进行探测的时间域电磁法，遵循电磁感应原理。导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生涡流场效应，即利用一个不接地的回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场（习惯上成为“一次场”），大地或探测目标体在激发场的作用下，其内部会产生感生涡流，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，根据二次场的信息分析得到相关的水文地质信息[1]。

1.2 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法是由地面瞬变电磁法发展演变而来，属于全空间效应的勘探方法，其理论依据、井下施工技术以及资料处理与解释方法与地面有着本质区别[2]。矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布，瞬变响应来自于回线上下两个半空间，视电阻率为全空间岩层电性特征的综合响应，全空间效应是矿井瞬变电磁法固有的问题[3]。

煤层一般为电磁波易于通过的高阻介质，所以TEM所接收到的煤层电磁信号不会受到像对直流电场那样的屏蔽限制，接收线圈接收到的电磁信号是周围全空间岩石电性的综合反映。在判定异常体空间位置时，根据线圈平面的法线方向结合地质资料来综合分析确定。

1.3 矿井瞬变电磁法顶板探测技术

利用矿井瞬变电磁法来探测井下煤层顶板的含水情况，与其它一些矿井物探方法比较，具有指向性强、施工空间小、速度快、横向分辨率高、基本不耽误工作面其他施工等优点。矿井瞬变电磁法在井下巷道内施工，测点间距选取在两米到二十米之间。根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变电磁法的探测方向。因而，将发射接收线框平面对准煤层顶板方向进行探测，就可反映煤层顶板岩层内部的地质异常。

2 矿井瞬变电磁工作方法

探测仪器采用澳大利亚Monash GeoScope公司专业瞬变电磁探测仪terraTEM。轨道顺槽、运输顺槽各布置物理测点92个，点距10m，数据点920个，测线长度1820m。根据井下实际情况，结合其他矿井探测经验，确定本次探测装置及参数具体设置如下：工作装置选择：重叠回线；收、发射装置回线尺寸：2×2m；发射装置回线匝数：40；接收装置匝数：60；采样时窗：1～34；叠加次数：32；时间序列：标准时间序列；采样延迟：0？滋s；增益：自动增益。

3 矿井瞬变电磁数据处理与解释

矿井瞬变电磁法接收回线测量的是二次感应场随时间变化规律，通过换算得到的是巷道附近导电介质的视电阻率随时间变化曲线，很难与导电介质的具体分布范围和深度直接对比，必须进行时深转换。矿井瞬变电磁资料解释坚持“水文地质研究与物探资料解释相结合，定性解释与定量解释相结合”的基本原则，采用综合处理与解译技术，减少多解性，提高解释可靠性。

综合分析两条巷道顶板三个方向视电阻率等值线断面图，选取每个探测方向的低阻异常划分阈值。由于巷道内支护情况不同，顶板30°、60°、90°三个探测方向距离巷道内铁轨、皮带架等背景干扰体的距离不同，所选取阈值并不统一。根据低阻选取阈值，对两条巷道内三个探测方向所得视电阻率等值线断面图进行分析，划分相对低阻异常区。

划分结果如下：

根据顶板30°、60°、90°三个探测方向的等值线断面图得出，顶板共划分相对富水异常区五处：

（1）I号相对富水异常区位于距切眼0～100m范围内（以切眼为0点，下同），偏轨道顺槽一侧，包括G1-1、G2-1、G3-1、Y1-1、Y2-1、Y3-1六处相对低阻异常区。该区域范围中等，低阻强度相对中等，在两条巷道内三个探测方向上均有低阻反应。该区域内有单体影响，但不排除富水的可能性，富水性评价为中等。

（2）II号相对富水异常区位于距切眼170～300m范围内，包括G2-2、Y1-2、Y1-3、Y2-2、Y2-3、Y3-3六处相对低阻异常区。该区域范围较小，低阻强度相对较弱，在轨道顺槽内顶板60°探测方向上有低阻反应，在运输顺槽内3个探测方向上均有低阻反应，富水性评价为弱。

（3）III号相对富水异常区位于距切眼360～530m范围内，偏运输顺槽一侧，包括G1-2、G1-3、Y1-4、Y2-4、Y2-5、Y3-4六处相对低阻异常区。该区域范围中等，低阻强度相对中等，在轨道顺槽内顶板30°探测方向上有低阻反应，在运输顺槽内三个探测方向上均有低阻反應。另外该区域内有金属体影响，外帮有巷道，但不排除富水的可能性，富水性评价为中等。

（4）IV号相对富水异常区位于距切眼600～760m范围内，位于运输顺槽一侧，包括Y1-5、Y1-6、Y2-6、Y2-4四处相对低阻异常区。该区域范围中等，低阻强度相对较弱，在运输顺槽内顶板30°、60°探测方向上有低阻反应，富水性评价为弱。

（5）V号相对富水异常区位于距切眼800～910m范围内，位于轨道顺槽一侧，包括G1-5、G2-3、G3-3三处相对低阻异常区。该区域范围中等，低阻强度相对中等，在轨道顺槽内三个探测方向上均有低阻反应，富水性评价为中等。

4 结束语

实践表明，矿井瞬变电磁法勘探对低阻反映灵敏，在探测煤层顶板富水性中有其优越性，且数据较为精确可信度高，是其他物探方法所无法比拟的。近年来在井下水害防治工作中得到了较好的应用。井下环境的复杂性、特殊性使得矿井物探多解性更加明显，在应用瞬变电磁资料的过程中，需要结合相关的地质水文资料综合运用；井下物探所获取的资料是地层、构造及赋存水体在静态下的反映，在井下采掘施工的影响下，地层应力会发生改变，会导致地质水文情况会产生不同程度的变化，使得富水区在不同时期存在不同的阶段特性，应该辩证地看待。

参考文献

[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]于景 .矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[3]李富.矿井瞬变电磁法在煤矿陷落区探测中的应用[J].煤矿安全，2013（4）：155-157.

作者简介：宋林君（1989-），男，山东威海人，山东科技大学硕士研究生，研究方向为综合地球物理勘探。