瞬变电磁法在矿井迎头防水中的应用

陈豪　高柱

摘 要：文章介绍了矿井瞬变电磁法的基本原理、井下施工方法，通过贵州A煤矿实例表明，矿井瞬变电磁法可有效圈定巷道掘进前方可能存在的低阻异常，可对巷道前方20到100米范围水害作出一定的超前探测，是一种有效的探测方法，可很好的为煤矿安全生产防治水工作提供技术支持。

关键词：瞬变电磁；矿井迎头；防水应用

中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0005-02

1 概述

煤炭作为我国最主要的能源支柱，推动着国民经济的快速发展，但其结果导致浅部煤炭资源几近消耗殆尽，开采由浅部向深部发展将成为今后的发展趋势。在煤炭资源开采过程中，存在着煤矿水害、瓦斯等安全隐患，此外，贵州属于典型的卡斯特地貌地区，地表落水洞、溶洞屡见不鲜，岩溶裂隙发育又分布极不均匀，因此煤矿水害问题在贵州显得尤为重要。

由于开采深度的增加，运用传统的地表勘探方法不能很好的解决精度问题，所以矿井近距离探测成为当前研究热点[1]。利用矿井下各种岩石的电性差异，地球物理工作者研发了矿井瞬变电磁法设备，它可对矿井掘进迎头、顶板、底板和巷道两侧帮进行全方位的探测，为煤矿预防水害提供了重要的参考依据。

2 基本原理

瞬变电磁法（简称TEM），是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法[1]。

把大地理想化为均匀各相同性介质，那么大地的导电率？滓、导磁率？滋也是一定的，在地面铺设供有线阶跃脉冲电流I（t）的发射回线，发射回线面积为S，其表达式：

当t<0时，发射回线中供有电流I，根据电磁感应原理可得，发射回线周围形成一个稳定的磁场；在t=0时刻，突然关断电流，那么由该电流感应出的磁场也立刻消失，一次磁场从稳定到突然消失的这一急剧变化又重新在大地中激励出新的感应电流，该电流的产生支撑了电流关断之前形成的磁场，保证空间存在的磁场不会立即消失，由于地下介质热损耗的缘故，磁场能量会逐渐被消耗殆尽[2]。

矿井瞬变电磁法所运用的基本基本原理、采集数据的装置形式以及时间序列都遵循地面瞬变电磁法。由于井下环境的特殊性，地面瞬变电磁法接收的是半空间的二次场，而矿井瞬变电磁法在井下产生的二次场呈全空间分布（图1）

3 应用实例

3.1 工区概况

贵州A煤矿为第四系黄土所覆盖，其北东面河流二叠系中统茅口组灰岩大面积出露，属溶蚀-侵蚀性中山地貌，总体地势南高北低，西高东低。地表水受季节性变化十分显著，雨季暴涨，地表沟水会随地裂缝及孔隙进入煤矿，使煤矿涌水量增加。区域内查明的断层有四条，这些断裂带上虽未见有充水导水迹象，但已切穿含水层之间的水力联系，各含水层地下水可能通过断层裂隙渗入矿井，对深部矿床的充水构成威胁。

3.2 施工方法

本次探测使用飞翼股份有限公司研发的YCS160矿用本安型瞬变电磁仪，该设备的发射、接收线圈为边长2.0米×2.0米的矩形线框，发射线圈为24匝、接收线圈为52匝，时间序列选择中时间序列，时间脉宽选择10ms，采用装置类型为重叠回线，叠加次数选择32次。

測点布置在迎头位置，对于每个探测点，设计发射和接收线圈的法线与巷道顺层、顶板和底板的夹角大小分别呈90°、135°和45°，以达到探测巷道顺层（图2a）、顶板（图2b）和底板（图2c）的围岩变化情况的目的。共布置测点13个（图3），每个点测3个方向，共13×3=39个数据。

3.3 结果分析

采集完整的前方信息后，利用中国矿业大学矿井瞬变电磁法数据处理与解释系统，对所获数据进行数据预处理、断面文件处理、时深转换处理、深度校正处理和超前探测等处理，得到矿井瞬变电磁法超前探测视电阻率等值线拟断面图（图4）。图4（a）为顶板探测结果，图4（b）为顺层探测结果，图4（c）为底板探测结果。图中横坐标0点位置对应巷道迎头位置，纵坐标轴为迎头前方或顶底板沿探测方向的距离。图中横坐标轴副坐标方向对应迎头位置左侧帮，正坐标方向对应迎头位置右侧帮。

图4（a）中右侧帮约30°～50°之间范围，距离巷道40m左右有一相对低阻异常带，结合视电阻率数值和已有地质资料初步判断该处可能为地质破碎带。图4（b）中，巷道迎头视电阻率值左右基本对称，由于巷道两侧支护皆为金属钢铁，左右侧帮出现相对低阻异常带，随着深度的加深，顺层方向的视电阻率曲线逐渐趋于正常，在右侧帮约80°～90°之间范围、距离迎头70m左右有一相对低阻异常区，结合视电阻率数值认为该处地理位置可能表现为裂隙带岩体潮湿导水所致，后期矿方布置钻孔验证，在钻到62米时看到了出水现象，探测结果得到了验证。图4（c）底板岩层基本稳定、完整，不存在明显低阻异常。

4 结束语

通过本次瞬变电磁法在矿井防水中的应用发现，该方法配合仪器设备能较好的对巷道前方20到100米范围水害作出一定的超前探测，且探测结果可靠，对煤炭资源的安全开采具有重要意义。在实际应用过程中，由于仪器自身原因存在着探测盲区，而巷道内铁器支护也会对探测结果造成干扰和影响，故在方法应用上，存在的技术问题需要继续研究和改进。

参考文献：

[1]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）.

[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]刘白宙.井下瞬变电磁技术在探测煤矿老空水方面的应用[J].地震地质，2007，29（3）.

[4]王启军，林向东，等.矿井瞬变电磁法超前探测研究[J].吉林地质，2009，28（2）.endprint