井下瞬变电磁法在回采工作面底板探测的应用

李杰+王康

摘 要：为查明回采工作面底板水文地质条件及富水情况，保证安全回采，采用PROTEM瞬变电磁仪对郁山23091工作面开展井下瞬变电磁全方位探测。数据提取并整理完善后，在BETEM中按顺序经过多种校正、转换和正、反演计算等，从而得到全空间视电阻率，取得良好的探测效果。实践证明：瞬变电磁法是一种高效的水情水害探测手段，对低阻体探测反应灵敏、分辨率高，在实际应用中与水文地质资料充分结合，可以正确指导煤矿防治水工作。

关键词：瞬变电磁；视电阻率；富水区段；低阻

瞬变电磁法是井下物探最常用的方法，其应用领域可用于解决煤矿各类水文地质问题，是煤矿水害隐患灾害探测中的重要手段。具有无损、简洁、分辨率高[1]，并且可以全空间探测等技术优势[2]。近10年得到迅速发展。

瞬变电磁勘探法的控制范围包括：俯探、内俯、外俯、斜上、斜下等，属于三维立体探测，测距一般取20～100m（前20m一般为物探盲区）。探测范围广，含水异常定性准确，通过对巷道的内帮及外帮多角度空间探测，可查明工作面底板富水区域及外围老窑水、含水构造等各类异常分布情况[3]。为确定水文孔位置，注浆改造划分重点区域提供依据，并为检验注浆改造效果提供参考，服务于煤矿安全生产[4-5]。

1 瞬变电磁技术理论

瞬变电磁法的工作原理是利用发射回线向地下发射不同频率的电磁脉冲，即稳定电流，该电流的下降沿产生变化的一次场并向周围空间扩散。当稳定电流被突然切断时，磁场迅速衰减。根据电磁感应定律，为阻止衰减，在地下介质中将产生二次场，即瞬变电磁场。该场随着时间的延长，向下传播并向周围扩散。其传播速度、扩散方式和强度依赖地下介质的电性结构特征[6]。

瞬变电磁场在地层介质中的扩散可以用“烟圈”概念加以形象化（见图1）。在早期，感应电流主要分布在发射偶极子附近，随着时间的增加，感应电流向下及向外扩散，感应电流的这种移动方式，叫做二次涡流场，有时称为“烟圈”。涡流场表现与地下介质的电性有关。同类岩层相比，岩层较为完整时视电阻率值一般相对较高，引起的涡流场较弱；而岩层富水时视电阻率值相对较低，引起的涡流场较强，所以，通过观测二次涡流场就可以掌握地下介质的视电阻率值分布情况。

在井下某测点观测瞬变电磁场的传播过程，就可以采集到一条瞬变电磁场曲线，经过后期数据处理和反演，便可获取此测点地下的电阻率值等。见图2

2 数据解译

BETEM是为瞬变电磁法的数据处理和解释开发的专用软件。该软件采用相对成熟的技术和方法，具有高精度和高分辨率的特点。该软件包采用模块式结构，每个模块可以独立执行不同的功能。主要步骤如下包括

（1）数据转换：包括数据归一化处理、重新采样、极性校正、测点和测点编辑等。

（2）数据处理：主要是计算全程视电阻率。包括噪音剔除、畸变校正、一次场消除、关断时间校正等。

（3）数据解释：视电阻率的一维正反演，电阻率成像变换、拟二维电性剖面和拟三维切片等。

数据解译完毕后可导入Suerfer专业成图软件，绘制出电视阻率等高线剖面图。充分结合地质资料或其他物探或钻探成果进行对比。

3 应用实例

3.1 测区地质及水文地质概况

郁山煤业23091工作面煤层赋存较为稳定，平均煤厚约2.79m，煤层平均倾角19°，煤层含有1层夹矸，厚度0.15～0.35m。煤层直接顶板为细中粒砂岩，平均厚度11.44 m，底板为炭质泥岩，平均厚度3.11m。工作面北邻郁山断层，该断层倾角约70度，落差30～60m，与工作面间留有断层煤柱。工作面掘进过程中未揭露断层。

二1煤层底板对采掘有影响的含水層主要有太原组灰砂岩含水层和寒武系灰岩含水层。其中寒武系灰岩含水层溶裂隙发育和富水性极不均匀，该含水层距二1煤层平均48m，水位标高约+110m，测区范围内二1煤层底板隔水层承受的寒灰水压最大约1.6MPa，突水系数0.04 MPa/m，正常情况下，寒灰水对开采影响较小。

3.2 施工方法

本次23091工作面瞬变电磁勘探采用偶极布置方式（见图3）在巷道内进行施工。

分别在23091工作面上巷、切眼和下巷分别布置工程测线2条，即底板垂直勘探线和底板内俯30°勘探线。共完成测线6条，总长1940m，实测物理点194个。点距10m，1m×1m发射框，电流1A，发射频率25Hz。探测路线如图4所示。

3.3 成果分析

图5和图6即为选取23091工作面下巷底板垂探和内俯30゜瞬变电磁电阻率剖面图，横坐标为测点位置，纵坐标为探测深度，

图中曲线为富水性分析指标等值线，不同色标代表视电阻率的大小，数值约小，视电阻率越低，富水性也越强，即所谓低阻异常区。

图5可以看出，巷道切眼口向外310-380 m范围内低阻异常区视电阻率较低，处于底板45 m以深区域，阻值较低，分析此异常可能受底板含水层裂隙充水影响所致，需做进一步验证。

图6可以看出，巷道内争取视电阻率较高，并无明显异常。

4 结论

郁山煤矿23091工作面底板瞬变电磁勘探基本达到了预期目的和探测效果。通过实地工作和现场总结，认为该方法有以下特点：

（1）不受高阻屏蔽，探测深度可达100m以上。二1煤层底板隔水层厚度普遍在50m左右，满足矿方探测需求；

（2）探测灵敏度高。由于是在切断原始激发场的情况下观测二次感应场，富水低阻异常区段内能引起较强的二次涡流场，因此对低阻含水地质异常体的电性结构变化具有很好的分辨能力；

（3）井下瞬变电磁勘探法是一种高效的物探手段，近200个实际测点可在四个小时内完成，与直流电法相比，无需布极，且具有全空间探测优势，方法灵活，对于复杂的地质构造，瞬变场可显示出明显的异常特征。

参考文献

[1]李玉宝.煤矿井下物探技术发展回顾与展望[J].中国矿业，2012，21（8）：449-451.

[2]姚小帅，申青春，杨培，郝会安，伊晓子.瞬变电磁技术在井下水文孔选址中的应用[J].中州煤炭，2012，06：83-84.

[3]张春光，姚小帅，申青春，郭振桥，廉洁.瞬变电磁技术在煤层底板岩溶水探测中的应用[J].煤炭工程，2014，01：76-79.

[4]廉洁，姚小帅，申青春，王启军.基于扇形成像方法的井下瞬变电磁超前探测技术应用[J].中州煤炭，2011，08：53-54.

[5]李松营，杨培，姚小帅.利用瞬变电磁法测定井下水源井位置[J].中国煤炭地质，2013，25（6）：58-60.

[6]刘国栋.电磁方法研究与勘探[M].北京：地震出版社，1993，1-21.

作者简介

李杰（1987-），男，助理工程师，毕业于河南省理工大学，现从事地质、水文地质工作。